Allgemeiner Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Gasturbinen-Brennkammern und im Besonderen eine mager vorgemischte, gestufte Mehrringdüse mit radialem Einlauf für eine Zweistoff-Ringrohr-Brennkammer, welche die Verbrennungsdynamik drastisch verringert oder beseitigt.
[0002] Fig. 1 stellt eine Brennkammer nach dem Stand der Technik für eine Hochleistungs-Industrie-Gasturbine 10 dar, die einen (teilweise gezeigten) Verdichter 12, mehrere Brennkammern 14 (der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber eine gezeigt), und eine (durch eine einzelne Schaufel repräsentierte) Turbine 16 beinhaltet. Obgleich nicht eigens gezeigt, ist die Turbine 16 mit dem Verdichter 12 entlang einer gemeinsamen Achse in antreibender Weise verbunden.
Der Verdichter 12 setzt Einlassluft unter Druck, welche dann umgekehrt zur Brennkammer 14 geleitet wird, wo sie verwendet wird, um die Brennkammer 14 zu kühlen und um Luft für den Verbrennungsprozess bereitzustellen. Obgleich nur eine Brennkammer 14 gezeigt ist, beinhaltet die Gasturbine 10 mehrere Brennkammern 14, die sich um den Umfang derselben befinden. Ein Überleitkanal 18 verbindet das Auslassende jeder Brennkammer 14 mit dem Einlassende der Turbine 16, um die heissen Verbrennungsprodukte zur Turbine 16 zu liefern.
[0003] Jede Brennkammer 14 beinhaltet ein im Wesentlichen zylindrisches Brennkammergehäuse 24, das an einem offenen vorderen Ende mittels Schrauben 28 an einem Turbinengehäuse 26 befestigt ist.
Das hintere Ende des Brennkammergehäuses 24 ist durch eine Enddeckelbaugruppe 30 verschlossen, die herkömmliche Zuführleitungen, Sammelleitungen und zugeordnete Ventile usw. zum Zuführen von Gas, Flüssigbrennstoff und Luft (sowie, falls gewünscht, Wasser) zur Brennkammer 14 beinhalten kann. Die Enddeckelbaugruppe 30 nimmt mehrere (beispielsweise fünf) Brennstoffdüsenbaugruppen 32 auf (der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber nur eine gezeigt), die in kreisförmiger Anordnung um eine Längsachse der Brennkammer 14 angeordnet sind.
Jede Brennstoffdüsenbaugruppe 32 ist ein im Wesentlichen zylindrischer Körper, der einen hinteren Zuführabschnitt 52, der Einlasse zum Empfangen von Gasbrennstoff, Flüssigbrennstoff und Luft (sowie, falls gewünscht, Wasser) aufweist, und einen vorderen Abgabeabschnitt 54 aufweist.
[0004] Innerhalb des Brennkammergehäuses 24 ist in im Wesentlichen konzentrischer Relation dazu eine im Wesentlichen zylindrische Strömungshülse 34 angebracht, die an ihrem vorderen Ende mit der Aussenwand 36 des Überleitkanals 18 verbunden ist.
Die Strömungshülse 34 ist an ihrem hinteren Ende mittels eines radialen Flansches 35 mit dem Brennkammergehäuse 24 an einer Stumpfverbindung 37 verbunden, wo vordere und hintere Abschnitte des Brennkammergehäuses 24 zusammengefügt sind.
[0005] Innerhalb der Strömungshülse 34 ist ein konzentrisch angeordnetes Flammrohr 38 vorhanden, das an seinem vorderen Ende mit der Innenwand 40 des Überleitkanals 18 verbunden ist. Das hintere Ende des Flammrohres 38 ist durch eine Flammrohrdeckelbaugruppe 42 gehalten, die wiederum innerhalb des Brennkammergehäuses 24 durch mehrere Streben 39 gehalten ist.
Man wird verstehen, dass die Aussenwand 36 des Überleitkanals 18 sowie jener Abschnitt von Strömungshülse 34, der sich von der Stelle, an der das Brennkammergehäuse 24 (durch Schrauben 28) an das Turbinengehäuse 26 geschraubt ist, nach vorn erstreckt, mit einer Anordnung von Öffnungen 44 über ihren jeweiligen Umfangsoberflächen gebildet ist, um zu gestatten, dass Luft umgekehrt vom Verdichter 12 durch die Öffnungen 44 hindurch in den ringförmigen Raum zwischen der Strömungshülse 34 und dem Flammrohr 38 auf das stromaufwärts liegende oder hintere Ende der Brennkammer 14 zu strömt (wie durch die in Fig. 1 gezeigten Strömungspfeile angezeigt).
[0006] Die Flammrohrdeckelbaugruppe 42 hält mehrere Vormischrohre 46, eines für jede Brennstoffdüsenbaugruppe 32.
Insbesondere ist jedes Vormischrohr 46 innerhalb der Flammrohrdeckelbaugruppe 42 an seinen vorderen und hinteren Enden durch vordere bzw. hintere Platten 47, 49 gehalten, die jeweils mit Öffnungen versehen sind, die an den Vormischrohren 46 mit offenen Enden ausgerichtet sind. Die Vormischrohre 46 sind so gehalten, dass die vorderen Abgabeabschnitte 54 der jeweiligen Brennstoffdüsenbaugruppen 32 konzentrisch darin angeordnet sind.
[0007] Die hintere Platte 49 befestigt mehrere sich nach hinten erstreckende Schwimmbuchsen 48 (eine für jedes Vormischrohr 46), die in wesentlicher Ausrichtung an den Öffnungen in der hinteren Platte 49 angeordnet sind. Jede Schwimmbuchse 48 hält einen ringförmigen Luftverwirbler 50 in zur jeweiligen Brennstoffdüsenbaugruppe 32 umgebender Relation.
Stromab des Verwirblers 50 sind radiale Brennstoffeinspritzdüsen 66 zum Ausstossen von Gasbrennstoff in eine Vormischzone 69 bereitgestellt, die sich innerhalb des Vormischrohres 46 befindet. Die Anordnung ist derart, dass Luft, die im ringförmigen Raum zwischen dem Flammrohr 38 und der Strömungshülse 34 strömt, gezwungen wird, im hinteren Ende der Brennkammer 14 (zwischen der Enddeckelbaugruppe 30 und der Hülsendeckelbaugruppe 42) wieder die Richtung umzukehren und durch die Verwirbler 50 und Vormischrohre 46 zu strömen, bevor sie in die Brennzone oder Brennkammer 70 innerhalb des Flammrohres 38 stromab der Vormischrohre 46 eintritt.
Die Zündung wird in den mehreren Brennkammern 14 mittels einer Zündkerze 20 in Verbindung mit Querflammrohren 22 (eines gezeigt) in üblicher Weise erreicht.
[0008] Bei der Kraftwerkskonzeption ist das Verringern der Emissionen schädlicher Gase wie z.B. von Stickoxiden (NOx) in die Atmosphäre von primärem Interesse. Um dieses Problem anzugehen, sind Low-NOx-Brennkammern entwickelt worden, die mager vorgemischte Verbrennung mit mehreren Brennern einsetzen, die an einer einzelnen Brennkammer angebracht sind, wie z.B. in Fig. 1 beschrieben. Jeder Brenner beinhaltet ein Strömungsrohr mit einer mittig angeordneten Brennstoffdüse, die eine zylindrische Nabe umfasst, die Brennstoffeinspritzdüsen und einen Luftverwirbler hält und an ihrem stromab gerichteten Ende eine ebene Stirnfläche aufweist.
Zusätzlich zu einer Vormischeinspritzstufe für NOx-armen Betrieb kann jede Brennstoffdüse eine Diffusionseinspritzstufe für das Hochfahren und den Notbetrieb und eine Flüssigbrennstoffeinspritzstufe für den Flüssigbrennstoffbetrieb beinhalten.
[0009] Diffusionsgasbrennstoff und Flüssigbrennstoff werden typischerweise über Öffnungen eingespritzt, die sich auf der ebenen Endfläche der Brennstoffdüse befinden. Bei NOX-armem (Vormisch-) Betrieb wird Brennstoff durch die Brennstoffeinspritzdüsen eingespritzt und vermischt sich mit der Wirbelluft im Strömungsrohr. Die Diffusions- und Flüssigbrennstoffkreise werden typischerweise während des Vormischbetriebs mit Luft gespült, um Flammgase aus den Durchtritten herauszuhalten.
Die Verbrennungsflamme wird durch Bluff-Body-Rezirkulation hinter der Brennstoffdüse und Wirbelstörung, wenn Verwirbelung vorhanden ist, stabilisiert. Bei Vormischsystemen werden als Folge von Verbrennungsinstabilitäten typischerweise starke Druckschwingungen erzeugt. Man nimmt an, dass die Verbrennungsinstabilitäten mit dem Ablösen quer zur Strömungsrichtung verlaufender Wirbel vom steilen Ende der Brennstoffdüse im Zusammenhang steht. Diese Druckschwingungen können den Betrieb des Aggregats stark einschränken und können in einigen Fällen sogar physikalische Beschädigungen an den Brennkammerkomponenten verursachen. Ausserdem wird der Strom an Spülluft durch die Diffusions- und Flüssigbrennstoffkreise direkt in die Rezirkulationszone eingeblasen.
Diese direkte Einblasung senkt die örtliche Temperatur und die Stärke der Rezirkulation, wobei eine nachteilige Wirkung auf die Flammenstabilität erzeugt wird. Dementsprechend besteht Bedarf an einer Low-NOx-Brennkammer, die Druckschwingungen verringert und die nachteiligen Wirkungen des Einblasens von Spülluft direkt in die Rezirkulationszone vermeidet.
[0010] Wie vorher beschrieben, wird in diesen heutigen Dry-Low-NOx- (DLN-)-Ringrohrbrennkammern von Hochleistungs-Industrie-Gasturbinen typischerweise eine Vielzahl (oder Gruppe) von Vormischdüsen eingesetzt, die unter Verwendung einer ebenen oder winkligen Deckel-Dom-Baugruppe mit einem rohrförmigen Flammrohr verbunden sind. Für die Mischung und die Stufung des Brennstoffs sind mehrere Düsen erforderlich, um Durchsatz und Leistung im gesamten vorgesehenen Betriebs- und Auslegungsbereich zu erreichen.
Dieser Ansatz erzeugt jedoch eine komplizierte und teure Baugruppe.
[0011] Auch ist das gleichmässige Verteilen von Luft und Brennstoff an die Gruppe vormischender Brennstoffdüsen am Kopfende schwierig und resultiert im Allgemeinen in weniger idealem gleichmässigem Luftstrom zu allen Düsen oder einem nennenswerten Betrag an schädlichem Druckabfall bzw. -verlust. Verglichen mit herkömmlicher, diffusionsartiger Verbrennung neigt verwirbelungsstabilisierte, mager vorgemischte (lean premixed, LP-) Verbrennung dazu, in hohem Masse anfällig für verbrennungsbedingte Schwingungen (dynamische Instabilität) zu sein.
[0012] Historisch ist in der Gasturbinenantriebs-Industrie die Flammentemperatur (oder PrimärZonentemperatur) in LP-Systemen verringert worden, um die NOx-Emissionen zu verringern.
Da (hauptsächlich durch neue behördliche Vorschriften veranlasst) das Niveau akzeptabler NOx-Ausstossemissionen auf einstellige Parts-per-Million- (ppm-) Werte herabgesetzt worden ist, ist die Flammentemperatur zumindest bei Brennstoffen mit hohem Methangehalt sehr nahe an die Magerverlöschgrenze (Lean-Blowout, LBO) gebracht worden. Bei derart mageren Gemischen resultieren geringfügige, periodische Veränderungen im lokalen Brennstoff-Luft-Mischverhältnis in relativ grossen periodischen Veränderungen in der örtlichen Wärmefreisetzung und den Wärmefreisetzungsraten, sogar einschliesslich lokalem, periodischem Erlöschens der Flamme.
Die Amplitude diskreter Schwingungsfrequenzen (oder der Töne) kann zunehmen, wenn die Wärmefreisetzungsschwankungen konstruktiv phasengleich mit den Schalldruckschwankungen sind, die innerhalb der Brennkammer angetroffen werden.
[0013] Da gegenwärtige LP-Brennkammern magerer und räumlich gleichförmiger werden, um zunehmend geringere NOx-Emissionen zu erreichen, und es von ihnen in zunehmendem Masse verlangt wird, jene Emissionsziele beim Betreiben mit einer breiter werdenden Palette von Brennstoffen einzuhalten, steigt bei einem gegebenen System die Gefahr des Antreffens inakzeptabel hoher Niveaus von Verbrennungsdynamik.
[0014] Zwar sind zuvor grosse Einzeldüsen-DLN- und Low-NOx-Ringrohr-Gasturbinen-Verbrennungssysteme erprobt worden, doch haben die meisten aufgrund von Betriebs-, Haltbarkeits- und Emissionsproblemen versagt.
Der Mangel an intelligenten, abstimmbaren Betriebsparametern und ein Mangel an mehreren unabhängigen Verbrennungsstufungszonen haben dazu geführt, dass die Industrie modulare Mehrdüsen-(Gruppen-) -Konfigurationen bereitwillig annahm. Mehrdüsenkonstruktionen erlauben das Stufen oder Versetzen der Brennstoffverteilung auf Untergruppen von Düsen, um nicht nur Anspringen und Durchsatz zu erleichtern, sondern einen abstimmbaren Betriebsparameter bereitzustellen, um Dynamik (oder Schwingungen) zu umgehen, die beim Betrieb im Auslegungsbetriebsbereich angetroffen werden.
[0015] Die Kehrseite des Versetzens der Brennstoffverteilung in der Brennkammer ist, dass wärmere Temperaturzonen geschaffen werden, welche die NOx-Produktion fördern.
Somit könnte es, wenn zu viel Versetzen erforderlich ist, um Dynamik oder Instabilität zu unterdrücken, zum Überschreiten der vorgeschriebenen NOx-Emissionsgrenzwerte kommen, womit möglicherweise die Einheit ausser Betrieb gesetzt würde. Die LP-Verbrennungsdynamik in Industrie-Gasturbinen wird typischerweise passiv auf mehreren Wegen üblicherweise durch einen Ausprobierprozess vermindert, der aufwendig und ungewiss sein kann. Einige der Verfahren sind nachstehend aufgeführt:
<tb>1)<sep>Verschieben der Brennstoffeinspritzpunkte, um die Brennstofftransportzeit vom Punkt der Einspritzung zur Flammenfront zu ändern,
<tb>2)<sep>Ändern der Brennstoffeinspritzöffnungsgrössen, um den Druckabfall und die akustische Impedanz über den Bohrungen zu ändern, und
<tb>3)<sep>modifizieren der Kammer- oder Düsengeometrien (z.B. Durchmesser, Winkel, Längen), um Wirbelablösungen, Frequenzen und Amplituden oder die Flammenkontur in der Kammer zu beeinflussen.
[0016] Diese Verfahren versuchen zu erzwingen, dass jedwede Störungen in der Wärmefreisetzung zu Druck- oder Schallstörungen in der Brennkammer phasenverschoben (oder destruktiv phasengleich) sind. Die Brennkammerdynamik ist ausserdem durch Hinzufügen akustischer Dämpfung (z.B. Helmholtz-Resonatoren oder Viertelwellenrohre) zum Verbrennungssystem verringert oder beseitigt worden.
In der Vergangenheit sind die obigen Verfahren tendenziell nach der Entdeckung hoher Brennkammerdynamik in Betracht gezogen und ausgeführt worden, statt während der Anfangskonstruktionsphase im Programm aktiv darauf hin zu konstruieren.
[0017] Dementsprechend besteht Bedarf an der Bereitstellung einer einfacheren, skalierbaren, weniger aufwendigen LP-Brennkammer, bei der es im statistischen und im absoluten Sinne grundsätzlich viel weniger wahrscheinlich ist, dass sie diskrete Verbrennungsschwingungen bei irgendeiner Last innerhalb des Auslegungs-/Betriebsbereiches anregt oder fördert, während sie eine überdurchschnittliche Toleranz in der Brennstoffgemischqualität aufweist.
Unter der Annahme, dass die obige Lösung gefunden worden wäre und dass infolgedessen die Gefahr, dass jemals diskrete Dynamik im gegebenen Auslegungsbetriebsbereich auftritt, deutlich verringert worden wäre, dann würde der Wirkungsgrad und die Wahrscheinlichkeit des Abstimmens auf minimale Emissionen bei einem gegebenen System deutlich erhöht werden.
Im Wesentlichen wäre die Dynamik kein derartig signifikanter und heikler Teil des gesamten Brennkammerkonstruktions-Verfahrens mehr.
Kurzbeschreibung der Erfindung
[0018] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, welche(s) drei unabhängige Verbrennungszonen in einer Gasturbinenbrennkammer mit einer mager vorgemischten, gestuften Mehrringdüse mit radialem Einlauf erzeugt, wodurch stabile Verbrennung mit niedrigen Stickoxid-(NOX-)-Emissionen bereitgestellt wird.
[0019] Kurz gesagt wird gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine mager vorgemischte, gestufte Mehrringdüse mit radialem Einlauf zur Erzeugung dreier unabhängiger Verbrennungszonen innerhalb einer Zweistoff-Ringrohr-Gasturbinenbrennkammer bereitgestellt.
Die mager vorgemischte, gestufte Mehrringdüse mit radialem Einlauf (nachstehend als grosse Radialeinzeldüse bezeichnet) beinhaltet eine Zündzone, die durch einen Mitteleinsatz beschickt wird; eine Flammhalterzone, die durch einen Innenhauptgasbrennstoff beschickt wird; eine Hauptflammenzone, die durch einen Aussenhauptgasbrennstoff beschickt wird; einen Hauptradialverwirbler zum Mischen eines Teils der einströmenden Luft zur Düse mit der Innenhauptgasbrennstoffzufuhr und der Aussenhauptgasbrennstoffzufuhr; einen Enddeckel und Mittel zum Steuern des Verhältnisses von zugeführtem Zündgasbrennstoff, zugeführtem Innenhauptgasbrennstoff und einem zugeführten Aussenhauptgasbrennstoff.
[0020] Gemäss einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Zweistoff-Ringrohr-Brennkammer für einen Gasturbinenmotor bereitgestellt.
Die Brennkammer beinhaltet eine mager vorgemischte, gestufte Mehrringdüse mit radialem Einlauf (nachstehend als grosse Radialeinzeldüse bezeichnet), die ein äusseres Brennerrohr und einen Hauptradialverwirbler einbezieht, angebracht auf einem Enddeckel für ein Brennkammergehäuse. Eine Hauptverbrennungszone ist stromab vom äusseren Brennerrohr der einzelnen grossen Radialdüse bereitgestellt. Eine Quelle für verdichtete Luft von einer Verdichterquelle ist bereitgestellt. Eine Lufteinlasssammelkammer umgibt die grosse Radialeinzeldüse radial und ist durch eine Aussenwand der Brennkammer radial eingefasst. Ein Diffusor für die verdichtete Luft empfängt die verdichtete Luft in einem Umkehrströmungspfad vom Verdichter und gibt die verdichtete Luft mit einem wiederhergestellten Druck an die Einlasssammelkammer ab.
Eine Verkleidung, die oben auf dem Hauptradialverwirbler angebracht ist und einen Abschnitt des äusseren Brennerrohres umgibt, ist zum Glätten des Luftstroms vom Diffusor zur Lufteinlasssammelkammer bereitgestellt.
[0021] Gemäss einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Nutzen einer mager vorgemischten, gestuften Mehrringdüse mit radialem Einlauf (nachstehend als grosse Radialeinzeldüse bezeichnet) mit unabhängigen Verbrennungszonen bereitgestellt, wobei die grosse Radialeinzeldüse eine Zündzone, eine Flammhalterzone und eine Hauptzone innerhalb einer Gasturbinenbrennkammer beinhaltet, um stabile Verbrennung mit niedrigen Stickoxid-(NOX-) -Emissionen bereitzustellen.
Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen einer grossen Luftzufuhr zur Düse; düseninterne Stufung; Entflichten der Wärmefreisetzung in eine Vielzahl diskreter Zonen im Raum; Verteilen der Wärmefreisetzung über die Zeit und Belüften einer stromab gelegenen zentralen Rezirkulationszone.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
[0022] Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, wobei bei sämtlichen Zeichnungen ähnliche Zeichen ähnliche Teile repräsentieren, wobei:
<tb>Fig. 1<sep>eine Brennkammer nach Stand der Technik mit mehreren Düsen darstellt;
<tb>Fig. 2<sep>eine Ausführungsform einer erfinderischen Brennkammer darstellt, die eine Brennkammer mit einer erfinderischen grossen Radialeinzeldüse beinhaltet;
<tb>Fig. 3A<sep>einen isometrischen Schnitt darstellt, der eine innere Struktur für eine Ausführungsform der Struktur der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse zeigt;
<tb>Fig. 3B<sep>einen axialen Schnitt darstellt, der eine innere Struktur für eine Ausführungsform der Struktur der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse zeigt;
<tb>Fig. 4<sep>eine Ansicht vom Zufuhrende der Enddeckelplatte für eine Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt;
<tb>Fig. 5<sep>Brennstoffverteilungen und Brennstoffdurchtritte im Enddeckel und in der Rückplatte einer Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt;
<tb>Fig. 6A<sep>eine isometrische Ansicht eines Hauptradialverwirblers einer Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt;
<tb>Fig. 6B<sep>Einzelheiten von Hauptverwirblerschaufeln am Hauptradialverwirbler einer Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt ;
<tb>Fig. 6C<sep>eine Ansicht von oben des Hauptradialverwirblers für eine Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt;
<tb>Fig. 6D<sep>einen Schnitt durch die Hauptverwirblerschaufeln und die mittige Nabe des Hauptradialverwirblers für eine Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt;
<tb>Fig. 6E<sep>einen Schnitt durch die Rückplatte und die mittige Nabe des Hauptradialverwirblers einer Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt;
<tb>Fig. 7<sep>einen Schnitt des Kopfendes der erfinderischen Brennkammer darstellt, wobei Luftstrom und unabhängige Verbrennungszonen einer Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse abgebildet sind;
<tb>Fig. 8<sep>den mittigen Flammhalter, die Gaszündringkammer und den Mitteleinsatz einer Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt;
<tb>Fig. 9A und 9B<sep>den Düsenkörper der Gaszünddüse für eine Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt;
<tb>Fig. 10<sep>eine Axialschnittansicht eines Zweistoff-Mitteleinsatzes einer Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse darstellt und
<tb>Fig. 11<sep>eine alternative Ausführungsform der Flammhalterschale für die erfinderische grosse Radialeinzeldüse darstellt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0023] Die folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Vorteile einschliesslich mehrerer innovativer und einzigartiger Merkmale aufweisen:
<tb>(1)<sep>Ermöglichen, dass mehrere (z.B. sechs) Vormischdüsen (pro Rohr) und ein Brennkammerdeckel durch nur eine grosse Radialdüse und eine Flammrohrmodifikation ersetzt werden, wodurch eine wesentliche Verringerung der Teileanzahl, Kosteneinsparungen und eine drastische Vereinfachung des Kopfendes der Brennkammer erreicht wird;
<tb>(2)<sep>Verwenden einer Dom-Diffusorkonstruktion zur konvektiven Rückseitenkühlung des Flammrohrdoms bei gleichzeitigem Wiederherstellen des statischen Drucks vor dem Vormischen von Brennstoff und Luft in der grossen Radialdüse, wodurch weniger schädlicher Druckverlust bewirkt und mehr Luft zum Vormischen verfügbar gemacht wird;
<tb>(3)<sep>Bereitstellen der Kapazität zum schnellen (z.B. < 3 ms) und gründlichen Verdampfen und Mischen grosser Mengen an Brennstoff (¯ 2 lbm/s) und Luft (¯ 60 lbm/s) bei relativ geringem Druckabfall (zum Beispiel < 4 %) und
<tb>(4)<sep>Verwenden entweder von Gasbrennstoff oder Flüssigbrennstoff, dies ist dynamisch robuster und weniger anfällig für verbrennungsbedingte Schwingungen als heutige mager vorgemischte (LP-) Gasturbinen-Verbrennungssysteme, indem sowohl die Wärmefreisetzung (zeitlich und räumlich) als auch die Brennstofftransportzeit in der Kammer strategisch verteilt oder verwischt werden, während weiterhin die notwendige Systemdurchsatzleistung und niedrige Abgasemissionen geliefert werden.
[0024] Effekt der Konstruktion ist vielfältig
<tb>(1)<sep>drastische Verringerung von Kosten und Teileanzahl durch Ersatz von fünf oder mehr Düsen pro Rohr durch eine;
<tb>(2)<sep>drastische Verringerung oder sogar völlige Beseitigung von Verbrennungsdynamik/-schwingungen bei diskreten Frequenzen in Brennkammern von Industrie-Gasturbinen bei gleichzeitiger Beibehaltung geforderter Emissionsniveaus;
<tb>(3)<sep>Flexibilität hinsichtlich Gas- und Flüssigbrennstoffen, die mit dem Erfolg der Verbesserung der Verbrenndynamik verbunden ist;
<tb>(4)<sep>DLN mit Flüssigbrennstoffen wie Dieselöl Nr. 2 bei Wegfall der Notwendigkeit von Wassereinspritzung und Hochdruck-Zerstäuberluft und
<tb>(5)<sep>Gesundheitsschädliche Emissionen im niedrigen einstelligen ppmv-Bereich
[0025] Der erfolgreiche Übergang von einer Mehrdüsen-Anordnung auf eine grosse Einzeldüse erfordert düseninterne Stufung. Eine in dieser Konstruktion verwendete Zone angewinkelter V-Gutter-Flammhalter stellt eine Region für Brennstoffstufung innerhalb der Hauptvormischdüse bereit. Beispielsweise kann es solches Voreinstellen des Brennstoff-Luft-Verhältnisses, dass es nahe der Nabe (oder des Mittelkörpers) im Vormischer reicher ist, ermöglichen, dass eine mittige Flammhalterzone relativ zur Bypassströmung mit einem höheren Äquivalenzverhältnis brennt, was für die Zündung, die Maschinenbeschleunigung, den Niedriglastbetrieb oder das Bewältigen plötzlicher Lastverlagerungen vorteilhaft (oder sogar notwendig) sein kann.
Das Voreinstellen des Brennstoff-Luft-Verhältnisses ermöglicht es in Verbindung mit anderen Stufungsmerkmalen (wie einer vorgemischten Zündverbrennung), dass in Gasturbinen-Verbrennungssystemen eine grosse Radialeinzeldüse mehrere Düsen (z.B. sechs) pro Rohr ersetzt - was auf eine wesentliche Verringerung der Teileanzahl und Kosteneinsparungen für das Verbrennungssystem und den Motor als Ganzes hinausläuft.
Die Verringerung der Verbrennungsdynamik würde unter Beibehaltung oder sogar Verringerung gesundheitsschädlicher Abgasemissionen (z.B. unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC), NOX und Kohlenmonoxid (CO)) relativ zu den Brenntemperaturen erreicht werden, die im Auslegungsbereich auftreten.
[0026] Bei der mager vorgemischten, gestuften Mehrringdüse mit radialem Einlauf (nachstehend als grosse Radialeinzeldüse bezeichnet) ist es konstruktionsbedingt weniger wahrscheinlich, dass verbrennungsbedingte, diskrete Schwingungsfrequenzen angeregt werden, wenn der festgelegte Bruchteil (z.B. etwa 33% der Düsenreaktanten) wohlgemischter Reaktanten umgeleitet wird, um als winklige Anordnung diskreter V-Gutter-Zonen stromauf der Hauptkammer zu verbrennen.
Die Anordnung axialer Düsenstrahlen, die durch die konische V-Gutter-Paketstruktur hindurchtreten, vermindert diskrete Dynamik und verbessert Emissionen auf mehrere Weise.
[0027] Erstens entflicht die Anordnung die Wärmefreisetzung in eine Vielzahl diskreter Reaktionszonen im Raum, wobei jede in räumlichen Massstäben reagiert, die viel kleiner als jene der gesamten Brennkammer sind. Dies begrenzt wirksam den Betrag der Energiefreisetzung, der sich in aufbauender Weise bei einer bestimmten akustischen Resonanzfrequenz innerhalb der Kammer koppeln kann.
[0028] Zweitens schaffen die angewinkelten V-Gutter eine Vielzahl von Brennstofftransportzeiten, was die Wärmefreisetzung über die Zeit verteilt (oder verwischt).
Das heisst, dass jeder Punkt entlang der V-Gutter-Länge seine eigene zugeordnete Transportzeit aufweist: die Zeit zwischen dem/den Punkt(en) der Brennstoffeinspritzung und dem/den Punkt(en) der Verbrennung. Dies begrenzt ebenfalls wirksam den Betrag der Wärmefreisetzungsenergie, der sich in aufbauender Weise bei einer bestimmten akustischen Resonanzfrequenz der Kammer koppeln kann.
[0029] Drittens ist die Funktion des Entwirblerpakets die "Ventilation" der stromab gelegenen zentralen Rezirkulationszone (CRZ), resultierend aus Wirbelablösung. Vom mittigen Konus aus übt die expandierende Anordnung von Düsenstrahlen nicht verwirbelnden, axialen Impuls direkt in die CRZ aus, was die Grösse und die Hauptverweildauer der CRZ verringert.
Dies wiederum verringert die Stickoxid- (NOx-) -Produktion durch Verringern der mittleren Zeit, welche die Verbrennungsprodukt-Moleküle bei Primärzonen- (Flamm-) -Temperatur in der Brennkammer verbringen. Das Konzept der "Zeit bei Temperatur" für die NOx-Produktion wird zunehmend signifikant bei Flammentemperaturen oberhalb von 2900 F, bei denen der Thermische NOx-Mechanismus (oder Zeldovich-Mechanismus) sich zu beschleunigen beginnt und sein Beitrag zu den NOx-Niveaus des Gesamtsystems signifikant zuzunehmen beginnt.
[0030] Für den Betrieb mit Diesel-Flüssigbrennstoff stellt die Düse ferner eine Verkokung verhindernde Konstruktion bereit, wobei kein Wasser und keine Zerstäuberluft erforderlich sind. Aspekte der Konstruktion verhindern die Verkokung der Brennstoffverteilung durch eine isolierte BrennstoffVerteilungswandung für hohe Zuverlässigkeit.
Der Flüssigbrennstoff wird schnell zerstäubt und gründlich in die Vormischer-Luftströmung verteilt, wobei er von heissen Vormischer-Oberflächen ferngehalten wird, um ihn zu verdampfen und schnell mit der Luft zu vermischen. Das Flüssigkeits-Einspritzverfahren beeinflusst den Gasbetrieb nicht nachteilig.
Das Entfallen der Notwendigkeit von Wassereinspritzung und Hochdruck-Zerstäuberluft bietet ferner Kosteneinsparungen.
[0031] Die vollständige Brennstoff-Luft-Gemischbildung erfolgt schnell (näherungsweise 2 ms), gründlich (mehr als 97%) und erfordert einen geringen Vormischer-Differenzdruck (¯2 %), wodurch die erforderliche Vormischerverweildauer verringert wird, um eine kürzere, kompaktere Konstruktion zu schaffen und bei "anspruchsvolleren" Gasturbinen-Zuständen unterhalb der Selbstzündzeit von Diesel zu bleiben .
[0032] Mehrere weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der Beschreibung deutlich. Die Durchsatzfähigkeit wird über Brennstoffstufung erhöht (3 pseudo-unabhängige Verbrennungszonen).
Die Verwendung eines rückseitengekühlten Doms beseitigt die Notwendigkeit von Flammrohrkühlluft in der Flammenzone.
[0033] Auch setzt die axialsymmetrische, radiale Verbrennungsstufung das Flammrohr keiner asymmetrischen Belastung aus, wodurch verbesserte Haltbarkeit des Flammrohrs bereitgestellt wird.
[0034] Ferner verbesserte innere Vormischer-Flammhaltebeständigkeit /-toleranz: Strömung wird in der gesamten Vormischerdüse beschleunigt; Hauptgeschwindigkeit wird oberhalb von etwa 300 ft/s gehalten.
[0035] Ein V-Gutter-Neigungswinkel (radial-axiale Ebene) und das Entwirblerschaufelprofil wurden als die zwei zu optimierenden Parameter gewählt.
Der V-Gutter-Neigungswinkel wurde zwischen 30 und 60 Grad variiert, um den Neigungswinkel zu maximieren, während dennoch ein wohldefinierter, stetiger V-Gutter-Nachlauf erzeugt wird, um eine unabhängige Verbrennungszone zu unterstützen. Bei reaktionsfreier CFD war die 40-Grad-Konfiguration der grösste Winkel, der bei konstant gehaltenen anderen Düsenmerkmalen noch einen stetigen V-Gutter-Nachlauf erzeugte. Das Entwirblerschaufelprofil wurde durch Ausrichten des Einlassschaufelwinkels an der eintretenden verwirbelten Strömung und Verwenden der Schaufelgittergeometrie zum Beschleunigen der Strömung durch das Paket erfolgreich eingestellt/optimiert; womit jedwedes Abreissen der Strömung im Paket verhindert wird.
[0036] Fig. 2 stellt eine Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse dar, die in einer erfinderischen Brennkammer eingesetzt wird.
Die Brennkammer mit grosser Radialeinzeldüse 100 beinhaltet ein im Wesentlichen zylindrisches Brennkammergehäuse 105, das an einem offenen vorderen Ende zur Verbindung mit einer Turbine durch Einstecken eines Flammrohres in das Übergangsstück an einem Übergangsstück befestigt sein kann (nicht gezeigt).
[0037] Das Übergangsstück kann dann in der üblichen Art und Weise an einem offenen vorderen Ende durch Schrauben an einem Turbinengehäuse befestigt sein. Das hintere Ende des Brennkammergehäuses ist durch eine Enddeckelbaugruppe 130 verschlossen, die an herkömmliche Pakete für Zuführleitungen, Sammelleitungen, Ventile und Anschlussstücke für Gasbrennstoff, Flüssigbrennstoff, Luft und Strom (nicht gezeigt) anpassbar ist.
Die Enddeckelbaugruppe 130 ist Teil einer grossen Radialdüsenbaugruppe 120 und befestigt sie am Brennkammergehäuse 105.
[0038] Innerhalb des Brennkammergehäuses 105 ist in im Wesentlichen konzentrischer Relation dazu eine Strömungshülse 106 angebracht. Innerhalb der Strömungshülse 106 ist ein konzentrisch angeordnetes Flammrohr 110 vorhanden, das an seinem vorderen Ende 112 mit der Innenwand des (nicht gezeigten) Überleitrohres verbunden ist, in das es eingesteckt ist.
Das hintere Ende von Flammrohr 110 bildet einen kegelstumpfförmigen Dom 111 auf einer Hauptbrennkammer 114, wobei der kegelstumpfförmige Dom 111 an seiner Mitte für den Brennstoff- und Verbrennungsprodukte-Strom von der grossen Radialdüse 120 offen ist und ferner mit dem äusseren Brennerrohr 113 der grossen Radialdüse 120 ineinandergreift.
[0039] Luft für den Verbrennungsprozess kann vom Luftverdichter in das Übergangsstück (wie vorher in Bezug auf Fig. 1 beschrieben) und von dort durch den ringförmigen Raum 115 zwischen der Strömungshülse und der Aussenwand des Flammrohres gesaugt werden. Am hinteren Ende des ringförmigen Raums expandiert ein konzentrisch angebrachter Diffusor 116 die Luft in die Einlasssammelkammer 117 für die grosse Radialdüse 120.
Der Dom 111 dient als innere konzentrische Wand des Diffusors 116, wodurch Rückseitenkühlung des Doms 111 durch die Luft gestattet wird, die durch den Diffusor 116 strömt. Gleichzeitig stellt der Diffusor 116 den statischen Druck für die Luft vor dem Vormischen von Brennstoff und Luft in der grossen Radialdüse 120 wieder her, was in weniger schädlichem Druckverlust und darin resultiert, dass mehr Luft zum Vormischen verfügbar ist. Eine Verkleidung 118 um die Mitte der grossen Radialdüse 120 glättet den Lufteintritt in die Einlasssammelkammer 117, wobei der schädliche Druckverlust weiter verringert wird.
[0040] Die grosse Radialdüse 120 beinhaltet ferner einen Hauptradialverwirbler 140, eine Gaszünddüse 150, einen mittigen Flammhalter mit einem V-Gutter-Flammhalter 160 und einen äusseren Flammhalter 170.
Der mittige Flammhalter 160 und der äussere Flammhalter 170 öffnen sich an ihrem vorderen Ende in die Hauptbrennkammer 114.
[0041] Der Enddeckel 130 kann ein im Allgemeinen zylindrisch geformter Flansch sein, der so konstruiert ist, dass er mit einem Brennkammergehäuse 105 ineinandergreift und die Radialdüsenbaugruppe 120 innerhalb der Brennkammer 100 hält. Die hintere Oberfläche 135 des Enddeckels 130 stellt Durchtritte für den Zweistoffbetrieb (Gas- und Flüssigbrennstoff) sowie für die Gaszünddüse 150 bereit. Eine Aussenhauptgaszuführung 190, eine Innenhauptgaszuführung 190 und einer von mehreren Flüssiggasanschlüssen 195 sind in Fig. 3A gezeigt.
Die Anordnung der Durchtritte für Brennstoff und Luft gestattet den Anschluss an vorhandene Brennkammerkonfigurationen von Brennstoff-, Luft- und Stromleitungen (nicht gezeigt).
[0042] Fig. 3A stellt einen isometrischen Schnitt dar, der eine innere Struktur für eine Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse zeigt. Fig. 3B stellt einen axialen Schnitt dar, der eine innere Struktur für eine Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse zeigt. Die Düse ist axialsymmetrisch entlang einer Mittelachse 200.
[0043] Die Enddeckelbaugruppe 130 beinhaltet eine Enddeckelplatte 205 mit einem hinteren Abschnitt 201, einem vorderen Abschnitt 202 und einem mittigen Hohlraum 203. Ein Hauptradialverwirbler 140 beinhaltet eine Rückplatte 240, mehrere Wirbelschaufeln 250 und eine mittige Nabe 260 mit einem mittigen Hohlraum 265 darin.
Die Rückplatte 240 ist an der Befestigungsoberfläche 241 mit der Enddeckelplatte 205 verschraubt.
[0044] Ein mittiger Flammhalter 160 ist oben auf der mittigen Nabe 260 angebracht. Eine mittige Nabe 285 des mittigen Flammhalters 160 greift mit der mittigen Nabe 260 des Hauptradialverwirblers 140 ineinander, um den mittigen Flammhalter 160 radial und axial zu halten. Radialschaufeln 360 halten das innere Brennerrohr 300 von der mittigen Nabe 285 aus. Mehrere V-Gutter 290 erstrecken sich zwischen dem inneren Brennerrohr 300 und der mittigen Nabe 285. Innerhalb der mittigen Nabe 285 ist ein mittiger Hohlraum 278 gebildet.
Oben auf den Wirbelschaufeln 250 des Hauptradialverwirblers 140 ist ein äusserer Flammhalter 170 mit zylindrischem äusserem Brennerrohr 175 mit einem Basisabschnitt 180 angebracht, der sich radial auswärts aufweitet und mit Schrauben 183 mit der Oberseite der Wirbelschaufeln 250 verschraubt ist. Das stromab gelegene Ende 178 des äusseren Brennerrohres 175 weitet sich ebenfalls auswärts auf und ist verstärkt, um Halt für den konischen Dom 111 (Fig. 2) der Brennkammer zu geben. Haltesteg 179 greift mit dem konischen Brennkammerdom 111 ineinander. Ein Brennstoff-Luft-Gemisch tritt vom Hauptradialverwirbler 140 durch 402 zu einer Flammhalterzone und durch 405 zu einer Hauptzone hindurch (Fig. 7).
Die mittigen Hohlräume 203, 265 und 278 ermöglichen das Einsetzen einer Gaszünddüse 150 einschliesslich einer Gaszündeinrichtung und eines Mitteleinsatzes einschliesslich einer Flüssigkeitszündeinrichtung und eines Zünders.
[0045] Fig. 4 stellt eine Rückansicht der Enddeckelplatte einer Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse in Bezug auf eine Brennkammer dar, in der diese eingebaut sein kann. Die Enddeckelplatte 205 beinhaltet den einstückigen zylindrisch geformten hinteren Abschnitt und einen zylindrisch geformten vorderen Abschnitt (Fig. 3A) kleineren Durchmessers, wobei beide Schichten um die Mittelachse 200 der Düse zentriert sind.
Die radiale Grösse des hinteren Abschnitts 201 ist so, dass sie mit einer hinteren Sitzoberfläche der Brennkammer (nicht gezeigt) zusammenpasst und mehrere Schraubenbohrungen 206 einbezieht, die zum Anbringen an der Sitzoberfläche der Brennkammer axial und nahe der äusseren Umfangsoberfläche 207 des äusseren Abschnitts 201 gebildet sind. Der hintere Abschnitt 201 kann ausserdem mehrere (in gleicher Weise ausgerichtete) Führungslöcher 208 zum Positionieren des hinteren Abschnitts 201 in Bezug auf die Sitzoberfläche der Brennkammer als Vorbereitung auf die Verschraubung beinhalten.
Die vordere Sitzoberfläche 205 des vorderen Abschnitts 202 kann ebenfalls mehrere Schraubenbohrungen 209 in einer kreisförmigen Konfiguration beinhalten, die konzentrisch zur Mittelachse 200 und ausgelegt ist, Schrauben von der Befestigungsoberfläche 241 der Rückplatte 240 für den Hauptradialverwirbler 250 aufzunehmen (Fig. 3A).
[0046] An die Enddeckelplatte 205 können zwei unabhängige Gasbrennstoffzuführungen angeschlossen werden. Der hintere Abschnitt 201 beinhaltet einen Aussenhauptgasdurchtritt 215, der an einem Aussenhauptgaszuführungs-Einlassrohr 216 mit einem Aussenhauptgaseinlassflansch 217 zum Anschluss an die Aussenhauptgasbrennstoffzufuhr (nicht gezeigt) angebracht ist. Der hintere Abschnitt 201 beinhaltet ausserdem einen Innenhauptgasdurchtritt 220 mit einem Anschlussstück 219 zum Anschluss an eine Innenhauptgaszuführung (nicht gezeigt).
Die Enddeckelplatte 205 kann ausserdem mehrere Flüssigbrennstoffzuführungs-Durchtritte 243 beinhalten, die konzentrisch zur Mittelachse 200 der Düse angeordnet sind.
[0047] Fig. 4 stellt ausserdem das hintere Ende von Gaszünddüse 150 dar. Der mittige Hohlraum 203 ist innerhalb der Enddeckelplatte 205 definiert und erstreckt sich radial von der Mittelachse 200 und erstreckt sich durch den hinteren Abschnitt 201 und den vorderen Abschnitt 202 zum Einsetzen einer Gaszünddüse. Der mittige Hohlraum 203 beinhaltet eine Gaszünddüsen-Sitzoberfläche 210 (Fig. 3B) mit Gewindeverbindungen zum Ineinandergreifen mit einem hinteren Gaszünddüsenflansch 212 zum Anbringen der Gaszünddüse 150.
[0048] Fig. 5 stellt Brennstoffverteilungen im Enddeckel und in der Rückplatte einer Ausführungsform der erfinderischen Düse dar.
Der Aussenhauptgasdurchtritt 215 (Fig. 4) ist mit einer Aussenhauptgasverteilung 310 in der Enddeckelplatte 205 verbunden. Die Aussenhauptgasverteilung 310 definiert eine ringförmig Kammer, die zur Mittelachse 200 der Düse konzentrisch ist. Die Innenwand 311 und die Aussenwand 312 der Aussenhauptgasverteilung 310 können radial in Bezug auf die Mittelachse 200 der Düse angeordnet sein, sodass das offene obere Ende 315 der Aussenhauptgasverteilung 310 mit mehreren entsprechenden Aussenhauptgaskanälen 665 (Fig. 3B) innerhalb der Hauptverwirblerrückplatte 240 in Verbindung steht.
[0049] Der Innenhauptgasdurchtritt 220 ist mit einer Innenhauptgasverteilung 330 in der Enddeckelplatte 205 verbunden. Die Innenhauptgasverteilung 330 definiert eine ringförmige Kammer, die zur Mittelachse 200 der Düse konzentrisch ist.
Die Innenwand 317 und die Aussenwand 318 der Innenhauptgasverteilung 330 können konzentrisch zur Mittelachse 200 der Düse sein. Die Innenhauptgasverteilung 330 ist radial zwischen dem Aussenhauptgaskanal 310 und dem mittigen Hohlraum 203 angeordnet. Die Innenwand 317 und die Aussenwand 318 der Innenhauptgasverteilung sind radial angeordnet, sodass das offene obere Ende 319 der Innenhauptgasverteilung 330 mit entsprechenden Innenhauptgaskanälen 680 (Fig. 7) innerhalb der Hauptverwirblerrückplatte 240 in Verbindung steht, um Innenhauptgas an Innenhauptgaseinspritzpunkte 695 auf der Basisoberfläche 242 zwischen den Wirbelschaufeln 250 zuzuführen.
[0050] Flüssigbrennstoffzuführungs-Durchtritte 243 erstrecken sich axial durch den hinteren Abschnitt 201 des Enddeckels 205 und stehen mit einer Hauptflüssigbrennstoffverteilung 244 in Verbindung.
Die Hauptflüssigbrennstoffverteilung 244 definiert eine ringförmige Kammer, die zur Mittelachse 200 der Düse konzentrisch und abgedichtet ist, Flüssigbrennstoffzuführungs-Durchtritte 243 und Flüssigbrennstoffabgabe-Durchtritte 246 ausgenommen. Die Hauptflüssigbrennstoffverteilung 244 ist radial angeordnet, um an den Flüssigbrennstoffzuführungs-Durchtritten hinten 243 und den Flüssigbrennstoffabgabe-Durchtritten 246 vorn auf der Enddeckelplatte 205 ausgerichtet zu sein. Die Flüssigbrennstoffabgabe-Durchtritte 246 erstrecken sich durch den vorderen Abschnitt 202 des Enddeckels 205, um mit entsprechenden Flüssigbrennstoffabgabe-Durchtritten 247 in der Hauptradialverwirbler-Rückplatte 240 zusammenzupassen, die zu Zerstäubern 248 für den Flüssigbrennstoff in der Hauptverwirblerrückplatte 240 führen.
Die Wände der Hauptflüssigbrennstoffverteilung 244 und des Flüssigbrennstoffzuführungs-Durchtritts und des Flüssigbrennstoffabgabe-Durchtritts 246 im Enddeckel 205 und der Brennstoffabgabedurchtritte 247 in der Rückplatte 240 können mit einer isolierten Auskleidung 249 versehen sein, um die Wandtemperaturen unter 290 Grad F zu halten, wo das Verkoken von Diesel-Flüssigbrennstoff beginnt. Anschlussstücke 218 sind ausserhalb der Flüssigbrennstoffzuführungs-Durchtritte zum Anschluss an die Flüssigbrennstoff zufuhr bereitgestellt.
[0051] Weil die Enddeckelplatte 205 und die Hauptverwirblerrückplatte 240 in einer Metall-auf-Metall-Sitzoberfläche 241 ineinandergreifen, werden Vorkehrungen getroffen, um potenzielle Leckage von den Brennstoffhohlräumen entlang den Sitzoberflächen 204, 241 zu isolieren.
Drei ringförmige Vertiefungen (Fig. 5), die zur Düsenmittelachse 200 konzentrisch sind, können auf der oberen Sitzoberfläche 204 der Enddeckelplatte 205 bereitgestellt sein. Die erste Vertiefung 381 ist ausserhalb der Aussenhauptgas-Verteilung 310 bereitgestellt. Die zweite Vertiefung 382 ist zwischen der Aussenhauptgasverteilung 310 und der Innenhauptgasverteilung 330 bereitgestellt. Die dritte Vertiefung 383 ist innerhalb der Innenhauptgasverteilung 330 bereitgestellt. Die Vertiefungen können mit C-Ringen oder anderem geeigneten Dichtungsmaterial versehen sein, um Strömung entlang der Sitzoberfläche zu verhindern.
[0052] Fig. 6A bis 6E stellen Ansichten eines Hauptradialverwirblers für eine Ausführungsform der erfinderischen Düse dar. Fig. 6A stellt eine isometrische Ansicht eines Hauptradialverwirblers einer Ausführungsform der erfinderischen Düse dar.
Fig. 6B stellt Einzelheiten von Hauptverwirblerschaufeln am Hauptradialverwirbler einer Ausführungsform der erfinderischen Düse dar. Fig. 6C stellt eine Ansicht von oben des Hauptradialverwirblers für eine Ausführungsform der erfinderischen Düse dar. Fig. 6D stellt einen Schnitt durch die Hauptverwirblerschaufeln und die mittige Nabe des Hauptradialverwirblers für eine Ausführungsform der erfinderischen Düse dar.
Fig. 6E stellt einen Schnitt durch die Rückplatte und die mittige Nabe des Hauptradialverwirblers einer Ausführungsform der erfinderischen Düse dar.
[0053] Der Hauptradialverwirbler 140 beinhaltet eine Rückplatte 240 mit einer einstückigen mittigen Nabe 260, mehrere Hauptverwirblerschaufeln 250, die auf der Rückplatte 240 angebracht sind und orthogonal zur Rückplatte 240 (stromabwärts auf die Verbrennungszonen zu) hervorragen, einen mittigen Hohlraum 265 zum aufnehmen der Gaszünddüse 150 und eine Reihe innerer Durchtritte innerhalb der Rückplatte und Hauptverwirblerschaufeln 250, um eine Strömung von Brennstoff und Luft zuzuführen.
[0054] Die Rückplatte 240 umfasst einen zylindrisch geformten Flansch, der auf der Mittelachse 200 der Düse zentriert ist.
Die radiale Grösse einer Basisoberfläche 241 der Rückplatte 240 ist so, dass sie mit der vorderen Oberfläche 204 der Enddeckelplatte 205 zusammenpasst. Die Befestigungsoberfläche 242 der Rückplatte weist mehrere Vertiefungen 371 auf, um die Schraubenbohrungen 372 um den Umfang der Rückplatte 240 aufnehmen. Die Schraubenbohrungen 372 erstrecken sich zur Basisoberfläche 241 der Rückplatte 240 hindurch und sind an den Schraubenbohrungen 209 auf der vorderen 204 Oberfläche der Enddeckelplatte 205 ausgerichtet.
Die Befestigungsoberfläche 242 der Rückplatte 240 berücksichtigt das Anbringen mehrerer Hauptverwirblerschaufeln 250 und das Unterbringen von Einspritzpunkten für Brennstoff in einen Luftstromdampf innerhalb des Hauptradialverwirblers 140.
[0055] Die mehreren Hauptverwirblerschaufeln 250, die jede ein Massivmetallflügelprofil 610 beinhalten, können orthogonal zur Rückplatte 240 angebracht sein und axial auf die Verbrennungszonen ausgerichtet sein. Die Hauptverwirbler-schaufeln 250 können radial innerhalb der Umfangs-Schraubenbohrungsvertiefungen 371 und radial ausserhalb der mittigen Nabe 260 angebracht sein. Eine Vorderkante 615 jedes Flügelprofils ragt im Allgemeinen radial auswärts hervor, und eine Hinterkante 620 ragt im Allgemeinen radial einwärts hervor.
Die Achse 625 jedes Flügelprofils kann einen vorbestimmten spitzen Winkel a (näherungsweise 15D) 630 mit einem Radius 635 von der Mittelachse 200 der Düse bilden. Während die Vorderkante 615 des Flügelprofils 610 eine gekrümmte Oberfläche bildet, können die Seitenoberflächen 640, 641 des Flügelprofils 610 eine gerade Verjüngung zur gemeinsamen geradlinigen Hinterkante 620 bilden. Die untere Oberfläche 645 und die obere Oberfläche 650 des Flügelprofils 610 bilden ebene Oberflächen.
Die untere Oberfläche 645 kann durch Schweissen oder einen anderen geeigneten Prozess an der Befestigungsoberfläche 242 der Rückplatte 240 angebracht sein.
[0056] Mehrere Einspritzpunkte 655 für Aussenhauptgasbrennstoff sind entlang einem Radius, der konzentrisch zur Mittelachse 200 der Düse ist, auf einer Seitenoberfläche 640 des Flügelprofils 610 gerade innerhalb der gekrümmten Vorderkante 615 bereitgestellt. Die Einspritzung von Aussenhauptgasbrennstoff ist näherungsweise normal zum Luftstrom 660 bereitgestellt, der zwischen den benachbarten Wirbelschaufeln hindurchtritt. Jedoch können Einspritzpunkte 655 auch auf beiden Seitenoberflächen des Flügelprofils und an anderen Stellen bereitgestellt sein, als in der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet sind.
Die Einspritzpunkte können näherungsweise in gleichmässigem Abstand axial entlang der Seitenoberfläche 640 des Flügelprofils 610 angeordnet sein, um gleichmässige Verteilung des Aussenhauptgasbrennstoffs in den Luftstrom 660 zwischen den Flügelprofilen 610 in einem umlaufenden Vormischraum 605 zu gestatten. Die Flügelprofile 610 beinhalten ferner einen inneren Brennstoffhohlraum 665, der die Einspritzbohrungen 657 versorgt. Der Brennstoffhohlraum 665 kann eine im Allgemeinen zylindrisch geformte Bohrung sein, die von der Basisoberfläche 241 axial in das Flügelprofil 610 aufsteigt und sich nahe zu den Einspritzbohrungen 657 und mit diesen in Verbindung stehend ausdehnt. Der Brennstoffhohlraum 665 leitet Aussenhauptgasbrennstoff vom Brennstoffhohlraum 310 in die Endplatte 205.
Die Einspritzbohrungen 657 innerhalb jedes Flügelprofils 610 erstrecken sich in radialer Richtung in Bezug auf den zylindrischen Brennstoffhohlraum 665, um Brennstoff zu den Einspritzpunkten 655 zuzuführen. Die obere Oberfläche 650 jedes Flügelprofils 610 kann ferner eine Gewindebohrung 670 zum Befestigen des äusseren Brennerrohres 175 an den Hauptverwirblerschaufeln 250 beinhalten.
[0057] Innenhauptgasdurchtritte 680 (Fig. 7) in der Rückplatte 240 erstrecken sich axial von der Innenhauptgasverteilung 330 in der Enddeckelplatte 205 auf die Befestigungsoberfläche 242 der Rückplatte 240 zu. In jedem der Innenhauptgasdurchtritte 680 kann eine Öffnung 685 bereitgestellt sein, um die Gasfreisetzung zu steuern.
Auf der Befestigungsoberfläche 242 sind Einspritzpunkte 690 näherungsweise äquidistant von den Seitenoberflächen 640, 642 benachbarter Flügelprofile 610 und an einem Punkt näherungsweise auf halbem Weg entlang den Seitenoberflächen 640, 642 der benachbarten Flügelprofile 610 bereitgestellt. Bei beispielhaften 24 Flügelprofilen 610 sind 24 Einspritzpunkte 690 bereitgestellt.
Eine Einspritzspitze 695 an jedem Einspritzpunkt 690, die sich geringfügig über die Befestigungsoberfläche 242 der Rückplatte 240 erstreckt, bewirkt, dass das Gas oberhalb der laminaren Luftströmung auf der Befestigungsoberfläche eingespritzt wird.
[0058] Bei Gasbetrieb, wie oben beschrieben, wird Gasbrennstoff von einer Vielzahl von Einspritzpunkten 655 aus, die axial entlang den Seitenwänden 640 der Flügelprofile 610 angeordnet sind, und von Einspritzpunkten 695 auf der Befestigungsoberfläche 242 der Rückplatte 240 aus in den Luftstrom des Hauptradialverwirblers 140 eingespritzt. Der Hauptgasbrennstoff wird von zwei unabhängigen Beschickungsquellen zugeführt, wie in Fig. 4 gezeigt, um das radiale Profil des Brennstoff-Luft-Gemischs in einem ringförmigen Wirbelvolumen (Vormischerringkammer) 255 zu beeinflussen.
Das heisst, dass das Gemisch nahe der mittigen Nabe 260, das letztendlich durch die mittige Flammhaltereinrichtung hindurchtritt, verglichen mit dem Gemisch nahe den Wirbelschaufeln 250 (das den mittigen Flammhalter umgeht) durch Verändern des Verhältnisses der Brennstoffzufuhr aus den zwei Quellen reicher oder magerer gemacht werden kann. Externe Mittel können bereitgestellt werden, um dieses Verhältnis zugeführten Innenhauptgasbrennstoffs und zugeführten Aussenhauptgasbrennstoffs zu steuern. Dies kann Steuern der Drosselung, Drucksteuerung oder andere auf dem Fachgebiet bekannte Mittel beinhalten, die ausserhalb der Düse angewandt werden können.
[0059] Für den Betrieb mit Flüssigbrennstoff sind ebenfalls auf der Befestigungsoberfläche 242 der Rückplatte 240 mehrere Flüssigbrennstoff-Einspritzpunkte 245 bereitgestellt.
Diese Flüssigbrennstoff-Einspritzpunkte 245 sind oben auf den Flüssigbrennstoff-Abgabekanälen 24 6 in der Rückplatte 240 positioniert. Die Flüssigbrennstoffkanäle 246 in der Rückplatte 240 können eine thermisch isolierende Schicht 249 beinhalten. Die Flüssigbrennstoff-Einspritzpunkte 245 sind zur Mittelachse 200 konzentrisch und können so positioniert sein, dass sie Flüssigbrennstoff näherungsweise am geometrischen Ort der Hinterkanten 620 der Flügelprofile 610 in das ringförmige Wirbelvolumen 255 einspritzen. In einer beispielhaften Anordnung sind sechs Flüssigbrennstoff-Einspritzpunkte 245 umlaufend äquidistant um die Befestigungsoberfläche 242 herum bereitgestellt.
Jeder Flüssigbrennstoff-Einspritzpunkt 245 ist mit einer Spitze 252 versehen, die einen Zerstäuber 248 konischer Gestalt beinhaltet, der in Gewinde 253 für den Flüssigbrennstoff-Abgabekanal 247 geschraubt ist. Der Zerstäuber 248 sprüht Flüssigbrennstoff in axialer Richtung normal zur Befestigungsoberfläche 242 in den Luftstrom.
[0060] Fig. 7 stellt einen Schnitt des Kopfendes der erfinderischen Brennkammer dar, wobei Luftstrom und Brennstoff-Luft-Strom abgebildet sind, welche die unabhängigen Verbrennungszonen einer Ausführungsform der erfinderischen Düse festlegen. Wie weiter vorn beschrieben und Bezug nehmend auf Fig. 5 bis 7, stellt die erfinderische Brennkammer, welche die grosse Radialeinzeldüse einbezieht, drei unabhängige Verbrennungszonen bereit. Die Zündgasdüse 150 erzeugt Zündverbrennungszone Z1.
Flammhalterverbrennungszone Z2 wird durch die axiale Strömung vom Entwirbler 280 erzeugt, die über die V-Gutter 290 im mittigen Flammhalter 160 läuft. Hauptverbrennungszone Z3 wird dadurch erzeugt, dass Brennstoff-Luft-Gemisch zwischen dem inneren Brennerrohr 300 des mittigen Flammhalters 160 und dem äusseren Brennerrohr 175 des äusseren Flammhalter 17 0 in die Hauptbrennkammer 114 strömt.
[0061] Von Diffusor 116 strömt ein Luftstrom in Einlasssammelkammer 117. Die Hauptverwirblerschaufeln 250 legen einen Strömungspfad 660 für von der Einlasssammelkammer 117 ankommende Luft für die Brennkammer fest. Etwa 95 % der in die Düse eintretenden Luft strömt zwischen den Hauptverwirblerschaufeln 250.
Die ankommende Luft, in die Aussenhauptgas von den Flügelprofilen 610 aus eingespritzt worden ist und Innenhauptgas von den Einspritzpunkten 690 auf der Befestigungsoberfläche 242 eingespritzt worden ist und/oder Flüssigbrennstoff von den Zerstäubern 248 eingespritzt worden ist, wird durch die Flügelprofile 610 so geleitet, dass sie (vom Verbrennungsende aus betrachtet) in Gegenuhrzeigerrichtung durch das ringförmige Wirbelvolumen 255 (das Volumen zwischen den Wirbelschaufeln und der mittigen Nabe) wirbelt.
Innerhalb des ringförmigen Wirbelvolumens 255 mischt das fortgesetzte Verwirbeln den Brennstoff mit der Luft weiter.
[0062] Die mittige Nabe 260 umfasst eine äussere zylindrischkegelstumpfförmige Oberfläche, die auf der Mittelachse 200 der Düse zentriert ist, um den Strömungswiderstand auf ein umlaufend strömendes Brennstoff-Luft-Gemisch von den Hauptverwirblerschaufeln zu minimieren, wenn dieses in den mittigen Flammhalter 160 aufsteigt. Die mittige Nabe 260 bildet eine glatte Oberfläche, die von der Befestigungsoberfläche 242 der Rückplatte 240 ansteigt und sich konkav einwärts neigt, um einen radialen und axialen Halt für den mittigen Flammhalter 160 zu bilden. Insbesondere an ihrem stumpfförmigen oberen Abschnitt stellt die mittige Nabe 260 einen äusseren ringförmigen Haltesteg 273 für den mittigen Flammhalter 160 bereit.
Die Innenfläche 263 der mittigen Nabe 260 definiert einen Hohlraum 2 65, der eine Gaszünddüse 150 aufnimmt und einen inneren Strömungspfad für Luft zur Gaszünddüse 150 beinhaltet. Die innere Oberfläche 263 der mittigen Nabe beinhaltet ferner einen inneren ringförmigen Befestigungssteg 274 für den mittigen Flammhalter 160.
[0063] Die Reihe innerer Durchtritte innerhalb der Rückplatte beinhaltet Durchtritte für Aussenhauptgas von der Aussenhauptgasverteilung im Enddeckel zu den Wirbelschaufeln; für die Innenhauptgasverteilung im Enddeckel zu Gaseinspritzdüsen auf der Befestigungsoberfläche der Rückplatte;
für Flüssigbrennstoff von den Flüssigbrennstoffabgabe-Durchtritten im Enddeckel zu Zerstäubern auf der Befestigungsoberfläche der Rückplatte und Luftdurchtritte vom umlaufenden Aussenrand der Rückplatte zum mittigen Hohlraum für Kühl- und Zündvormischluft zur Radialdüsenmitte/zum -kern.
[0064] Der innere Durchtritt 680 für Innenhauptgas zu den Innenhauptgas-Einspritzdüsenspitzen 695 auf der Befestigungsoberfläche 242 der Rückplatte 240 kann in jedem Durchtritt Öffnungen 685 zum Steuern der Gasdurchflussraten zu den Gaseinspritzdüsenspitzen 695 beinhalten. Die äussere Umfangsoberflache 257 der Rückplatte 240 beinhaltet mehrere radiale Zuführbohrungen 275, die einwärts zum mittigen Hohlraum 265 gerichtet sind, zum Zuführen eines Stroms von Kühlluft und Zündvormischluft zum mittigen Hohlraum 265.
Die axialen Durchtritte innerhalb der Rückplatte für Aussenhauptgas 270, Innenhauptgas 680 und Flüssigbrennstoff 247 sind an umlaufenden Stellen zwischen den verschiedenen radialen Zuführbohrungen 275 gelegen.
[0065] Der mittige Flammhalter 160 kann eine mittige Nabe 285, einen mittigen Hohlraum 278, einen Entwirbler 280 und mehrere V-Gutter 290, ein inneres Brennerrohr 300 und einen Halteturm 295 beinhalten.
[0066] Wenn der Luftstrom von zwischen den Hauptverwirblerschaufeln 250 in eine Rotationsströmung innerhalb des ringförmigen Wirbelvolumens 255 gezwungen wird, liegt der einzige Austrittspfad stromabwärts. Etwa 30 % des im Hauptradialverwirbler 240 verwirbelten Brennstoff-Luft-Gemischs tritt in den mittigen Flammhalter 160 ein. Der mittige Flammhalter 160 beinhaltet den Halteturm 350, der oben auf der mittigen Nabe 260 des Hauptradialverwirblers 240 sitzt.
Der Halteturm 350 greift mit dem äusseren Haltesteg 273 und dem inneren Haltesteg 274 der zylindrischen Haltenabe der mittigen Nabe 260 ineinander, um axialen und radialen Halt für den mittigen Flammhalter 160 bereitzustellen. Haltearm 355 des Halteturms 300 ruht auf dem äusseren Haltesteg 273 und dem inneren Haltesteg 274. Ein mittiger Hohlraum 280 innerhalb des Halteturms 295 und der mittigen Nabe 285 kann die Gaszünddüse 150 aufnehmen.
[0067] Bezug nehmend auf Fig. 8, sitzt oben auf dem Halteturm 295 der Entwirbler 280 und das konzentrische, an der Nabe angebrachte, konische V-Gutter-Flammhalter-Paket. Der Entwirbler 280 beinhaltet zwischen der mittigen Nabe 285 und dem inneren Brennerrohr 295 mehrere Teilringkammern 345. Die Teilringkammern 345 sind am stromaufseitigen Eintritt 347 und stromabseitigen Austritt 348 für das Brennstoff-Luft-Gemisch offen.
Eine Radialschaufel 360 ist zwischen jeder einzelnen Teilringkammer 345 bereitgestellt, wobei sich die Radialschaufel von der mittigen Nabe 285 zum inneren Brennerrohr 295 erstreckt. Jede Radialschaufel 360 krümmt sich von einer einigermassen flachen Neigung am stromaufseitigen Eintritt 347 zu einer steilen Neigung am stromabseitigen Austritt 348 der Teilringkammer 345. Die flache axiale Neigung am stromaufseitigen Eintritt trägt dem Entgegennehmen des verwirbelten umlaufenden Stroms des Brennstoff-Luft-Gemischs von den Hauptverwirblerschaufeln 250 des Hauptradialverwirblers 140 Rechnung. Etwa 30% des Brennstoff-Luft-Gemischs vom ringförmigen Wirbelvolumen 255 des Hauptradialverwirblers 140 strömt in die Teilringkammern 345 des Entwirblers 280.
Die sich ändernde Neigung der Radialschaufeln 360 lenkt die umlaufende Strömung zu einer axial ausgerichteten Strömung um, die aus jeder einzelnen Teilringkammer 360 austritt. Die umgelenkte axiale Strömung stellt Belüftung für die mittige Rezirkulationszone (Central Recirculation Zone, CRZ) bereit, wie weiter vorn beschrieben.
[0068] Bezug nehmend auf Fig. 3B und Fig. 8, definiert eine ringförmige Spitze 380 der mittigen Nabe 285 eine ebene Oberfläche I. Eine ringförmige Spitze des inneren Brennerrohr 295 definiert eine ebene Oberfläche II. Die ebene Oberfläche I liegt stromabwärts der ebenen Oberfläche II.
Die Radialschaufeln 360 des Entwirblers 280 bilden an ihren stromab gelegenen Ende eine geneigte Kante zwischen der ringförmigen Spitze 380 der mittigen Nabe 285 und der Spitze 385 des inneren Brennerrohres 300, die mit einer Neigung von etwa 30 % ansteigt.
[0069] Am stromab gelegenen Ende jeder Radialschaufel 360 ist ein V-Gutter 290 bereitgestellt. Das V-Gutter 290 umfasst ein v-förmiges Element 375, wobei das offene Ende 376 stromabwärts gewandt ist.
Ein Scheitel 377 des v-förmigen Elements 376 ist an der ringförmigen Spitze 380 der mittigen Nabe angebracht und erstreckt sich durch diese hindurch entlang dem stromab gelegenen Rand der radialen Wand 360 und durch die Spitze 385 des inneren Brennerrohres 300.
[0070] Ein äusserer Flammhalter 170 umfasst ein im Allgemeinen zylindrisches äusseres Brennerrohr 175, das sich an einem stromauf gelegene Ende aufweitet, um eine ringförmige Sitzoberfläche zum Aneinanderpassen mit dem Hauptverwirbler zu bilden. Das zylindrische Rohr umgibt die Brennkammer über den mittigen Flammhalter 160 hinaus radial und erstreckt sich auf diese zu. Das stromab gelegene Ende 190 des äusseren Brennerrohres 175 ist verstärkt. Steg 195 stellt eine Sitzoberfläche zum Eingriff mit dem konischen Dom 111 (Fig. 2) der Brennkammer bereit.
Eine ringförmige Sitzoberfläche 180 des äusseren Brennerrohres 175 weitet sich an seinem stromauf gelegenen Ende radial auswärts auf. Die Sitzoberfläche 180 bildet ein Dach über den Hauptverwirblern 250 des Hauptradialverwirblers 140, wodurch der Austrittspfad für das Brennstoff-Luft-Gemisch vom Hauptradialverwirbler 140 zu stromab gelegenen Strömungspfaden 402 und 405 begrenzt wird. Die Sitzoberfläche 180 kann an der Oberseite jedes Flügelprofils für die Hauptverwirblerschaufeln mit mehreren Schrauben angebracht sein, eine Schraube für jede Gewindebohrung oben auf dem Flügelprofil.
Der ringförmige Raum ist zwischen dem inneren Brennerrohr 295 des mittigen Flammhalters 160 und dem äusseren Brennerrohr 175 des äusseren Flammhalters 170 für die Strömung 405 der übrigen 70% des Brennstoff-Luft-Gemischs vom Hauptradialverwirbler 140 zum Brennraum gebildet.
[0071] Fig. 8 stellt den mittigen Flammhalter, die Gaszündringkammer und den Mitteleinsatz für eine Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse dar.
Ein Luftströmungspfad für die übrigen 5% ankommender Luft von der Einlassluftsammelkammer führt vom Umfangsrand 257 der Rückplatte 240 durch mehrere radiale Durchtritte 275 (in der Ausführungsform 12) hindurch zum mittigen Hohlraum 260 der Düse 140 zu.
[0072] Als Mittel zum Erreichen des Anspringens, des Brennkammerdurchsatzes und der Verbesserung der Stabilität befindet sich eine mittige Gaszünddüse 150 innerhalb des konischen Flammhaltervolumens am stromauf gelegenen Ende mit dem kleinsten Durchmesser. Die Gaszünddüse 150 stellt einen Mitteleinsatz 155 bereit, der einen Zünder/Flammendetektor und eine Flüssiggaszündeinrichtung beinhalten kann.
[0073] Die grob 5% Luftstrom zur Radialdüse, die durch radiale Strömungsbohrungen 275 in die Umfangsoberfläche 257 der Rückplatte 240 für den Hauptradialverwirbler 140 eintreten, werden innen geteilt.
Etwa 80% dieser Luft strömt vorwärts durch eine Luftzuführungsringkammer zwischen der Innenwand des mittige Hohlraums 2 65 der mittigen Nabe und einer Aussenfläche 812 einer ringförmige Hülle 810 der Gaszünddüse 150 zu einem ringförmigen Axial-Wirbelgas-Zündvormischer 855. Der Rest der Luft tritt durch mehrere radiale Zuführbohrungen 875 in der ringförmigen Hülle 810 in den Mitteleinsatz hindurch, um zur Flüssigkeits-Zündzerstäubung sowie zum Kühlen und Spülen der Mitteleinheitsspitze verwendet zu werden.
[0074] Fig. 9A und 9B stellen den Düsenkörper der Gaszünddüse für eine Ausführungsform der erfinderischen grossen Radialeinzeldüse dar.
[0075] Die Gaszünddüse 150 umfasst einen Körper 805 mit ringförmiger Hülle 810, der von hinten durch die Enddeckelplatte 205 in den mittigen Hohlraum 203 der Düse 140 geladen werden kann.
Die ringförmige Hülle 810 beinhaltet an ihrem hinteren Ende einen hinteren Flansch 815 mit mehreren Schraubenbohrungen 816 zum Anbringen seiner vorderen Oberfläche 817 am Sitzsteg 210 innerhalb des mittigen Hohlraums 203 des Enddeckels 205. Der hintere Flansch 815 ist ausserdem mit einer mittigen Bohrung 818 zum Einsetzen des Mitteleinsatzes 155 versehen und beinhaltet eine erhöhte Oberfläche 819 auf der hinteren Oberfläche 820 um den mittigen Hohlraum herum, in die Gewindebohrungen 821 zum Verschrauben des Mitteleinsatzes 155 mit dem hinteren Gaszündeinrichtungsflansch 815 einbezogen sind.
Der hintere Flansch 815 ist ausserdem mit einem Durchtritt 230 zur Verbindung mit einer Zündgasbrennstoffzufuhr für den Gaszündbetrieb versehen.
[0076] Der Gaszünddüsenkörper 805 erstreckt sich durch die mittigen Hohlräume 203, 265, 278 der Düse 120 hindurch und in die zylindrische Nabe 370 des mittigen Flammhalters 160. Die ringförmige Gaszündeinrichtungshülle 810 verjüngt sich in Schritten vom hinteren Ende zum vorderen Ende. Die ringförmige Hülle 810 beinhaltet eine untere Hülle 835, eine sich verjüngende Hülle 840, eine mittlere Hülle 845 und einen sich verjüngenden Kopf 850.
[0077] Auch ist ein ringförmiger Gaszündluftströmungsraum 864 zwischen der Innenwand 368 der zylindrischen Nabe 370 und der Innenwand 296 von Halteturm 295 sowie den Aussenflächen 842, 847 der sich verjüngenden Hülle 840 und der mittleren Hülle 845 definiert.
Luft von inneren radialen Enden 277 der mittigen radialen Zuführbohrungen 275 in der Rückplatte 240 tritt in den Gaszündluftströmungsraum 864 ein und strömt axial vorwärts zum Axial-Wirbelgas-Zündvormischer 855.
[0078] Der Durchtritt 230 im hinteren Flansch 815 für Zündgasbrennstoff versorgt innere Zündgasbrennstoff-Hohlräume 862 in der ringförmigen Hülle 810. Die inneren Zündgasbrennstoff-Hohlräume 842 innerhalb der unteren Hülle 835 führen Zündgasbrennstoff zum ringförmigen Zündgasraum 866 zwischen der Innenwand der ringförmigen Hülle 810 und Aussenfläche 872 des Mitteleinsatzes 155 zu.
Der sich verjüngende Kopf 850 erstreckt sich in unmittelbarer Nähe zur zylindrischen Nabe 370, wodurch zwischen der Aussenfläche 830 des sich verjüngenden ringförmigen Kopfes 850 und der Innenfläche 368 der zylindrischen Nabe 370 eine Gaszündringkammer 825 gebildet wird. Mehrere Zündgasbrennstoff-Bohrungen 860 erstrecken sich am stromaufseitigen Eintritt zwischen benachbarten Axialmischschaufeln 857 radial durch die ringförmige Hülle hindurch, womit Zündgasbrennstoff-Einspritzpunkte bereitgestellt sind.
Der vordere Abschnitt der mittleren Hülle 845 nimmt auf der Aussenfläche 847 mehrere Axialmischschaufeln 857 in der allgemeinen Form von Flügelprofilen zum Mischen von Gaszündbrennstoff und Luft auf, die sich im Luftströmungsraum 864 stromabwärts bewegt, wodurch der ringförmige Axial-Wirbelgas-Zündvormischer 855 gebildet ist.
[0079] Der Mitteleinsatz 155 beinhaltet den zylindrischen Körper 405, der auf einem hinteren Flansch 224 angebracht ist. Der Mitteleinsatz 155 ist in den mittigen Hohlraum 203 des Gaszünddüsenkörpers 805 eingesetzt und durch den hinteren Flansch 224 hindurch auf die erhabene hintere Oberfläche 820 geschraubt.
Der hintere Flansch 224 stellt einen axialen Durchtritt für Verbindungen zu einem Zünder und Flammendetektor 236 und auf seiner Umfangsoberfläche einen radialen Durchtritt 232 für Flüssigzündbrennstoff und einen radialen Durchtritt 234 für Luft bereit. Der Mitteleinsatz 155 ist an der Mittelachse 200 der Düse ausgerichtet.
[0080] Fig. 10 stellt einen axialen Schnitt durch das Spitzenende des Mitteleinsatzes 155 für eine Ausführungsform der erfinderischen Düse dar. Der Mitteleinsatz 155 ist radial innerhalb einer Einsatzwand 872 und am stromab gelegenen Ende durch eine Endspitze 885 eingefasst. Der Zünder 875 erstreckt sich in axialer Richtung vom Mitteleinsatzflansch 224 zur Endspitze 885. Die Flüssigbrennstoff-Zündeinrichtung 880 erstreckt sich vom Mitteleinsatzflansch 224 zur Endspitze 885.
Lufthohlraum 873 empfängt Luft zur Verwendung innerhalb des Mitteleinsatzes. Luft für den Mitteleinsatz tritt von den radialen Zuführbohrungen 275 in der Rückplatte 240 ein und tritt durch Bohrungen 277 in den Raum 864 zwischen der Zünddüse 150 und der Innenfläche 368 des Halteturms 270 aus. Ein Teil der Luft, die in den Raum 864 eintritt, tritt durch die Einsatzzuführbohrungen 870 in den Mitteleinsatz 155 ein, füllt den Lufthohlraum um den Zünder 875 und die Flüssigbrennstoff-Zündeinrichtung 880 und erstreckt sich vorwärts zu einem Spitzenprallschild 865. Der Spitzenprallschild 865 dichtet das obere Ende des Hohlraums ab und beinhaltet mehrere Spitzenbohrungen 867 (in der vorliegenden Ausführungsform 18 Bohrungen).
Luft vom Spitzenprallschild 865 wird zu einem ringförmigen Luftkanal 876 am stromab gelegenen Ende des Zünders 875 gelenkt, um die Zündung zu unterstützen. Luft vom Spitzenprallschild 865 wird ausserdem der konischen Ringkammer 881 um einen Hitzeschild 882 auf der Flüssigbrennstoff-Zündeinrichtung 880 herum zugeführt. Durch Luftstrahlzerstäuberkragen 884 sind mehrere versetzte Strahllöcher 883 bereitgestellt. Der Flüssigzündbrennstoff ist durch einen zylindrischen Hohlraum 890 in Flüssigzündeinrichtungskörper 891 bereitgestellt. Einkegelstumpfförmiger Ring einer Drallkammerwand 892 an der Spitze definiert darin eine Drallkammer 893 für den Flüssigbrennstoff. Um den Flüssigzündeinrichtungskörper891 herum ist ein ringförmiger Luftspalt 894 zur thermischen Isolierung bereitgestellt.
Rund um den ringförmigen Luftspalt 894 ist ein Hilfsluftring 895 bereitgestellt, der mit der Hilfsluftzuführung im Flansch 224 des Mitteleinsatzes 155 verbunden ist. Innerhalb des Hilfsluftrings 895 befindet sich ein Hilfsluftverwirbler 896 (Ausführungsform beinhaltet 8 Wirbelschaufeln 897). Die Wirbelschaufeln 897 verleihen der Hilfsluft, die zur Drallkammer 893 eingeführt wird, eine Wirbelbewegung.
[0081] Fig. 11 stellt eine alternative Ausführungsform des mittigen Flammhalters für die grosse Radialeinzeldüse 900 dar. Hier besteht der Flammhalter 905 aus einer perforierten Schale 910.
Die perforierte Schale 910 besteht aus mehreren Löchern 920 um die Mittelachse 915, durch die (circa) 30 % des Luft-Brennstoff-Gemischs 950, das von der Ringkammerregion kommt, hindurchtritt, es mischt sich teilweise mit dem Zünd-Luft-Brennstoff-Gemisch 955, das von der Zünddüse 960 kommt, und verbrennt teilweise am Austritt dieser Löcher 920. Die Löcher 920 sind mit Ausrundungen 930 versehen, um die Ablösung an den Ecken zu minimieren. Um die Schale 910 herum ist ein Kragen 940 bereitgestellt, um die Strömung in die Schale zu lenken. Das untere konvexe Ende 945 der Schale 920 ist offen und in Form gebracht, das Zünd-Luft-Brennstoff-Gemisch 955 von der Gaszünddüse 960 entgegenzunehmen. Somit findet die Wärmefreisetzung in diesem Fall in 3 Stufen statt. Die erste Stufe ist die Zündzone.
Die zweite Stufe ist das Luft-Brennstoff-Gemisch, das am Austritt dieser Löcher 920 verbrennt, und die dritte Stufe ist die Strömung, die die perforierte Schale 920 umgeht.
[0082] Das Vorstehende hat eine grosse Radialeinzeldüse für eine Gasturbinen-Brennkammer beschrieben, die wesentliche Verbesserungen im Betrieb gegenüber Mehrdüsen-Konstruktionen bereitstellt. Erstens ist die düseninterne Verbrennungsstufung, die durch die Düsenvormischer-Konstruktion, insbesondere den konischen, entwirbelten V-Gutter-Flammhalter in Verbindung mit steuerbaren Aussenhauptgasbrennstoff-Einspritzpfaden und Innenhauptgasbrennstoff-Einspritzpfaden bereitgestellt ist, ein einzigartiger Aspekt dieser Konstruktion. Dieser Aspekt ermöglicht, dass mehrere Düsen (pro Brennkammer) durch eine ersetzt werden, was in wesentlichen Einsparungen an Kosten und Teileanzahl resultiert.
Zweitens wird Verminderung von Verbrennungsdynamik/Schwingungen durch das Verwischen von Brennstofftransportzeiten und Wärmefreisetzung in der Kammer in neuartiger Art und Weise erreicht. Diese einzigartige Eigenschaft kann ausserdem eine breitere Palette an zu verbrennenden Brennstoffen ermöglichen, ohne dass Komponenten modifiziert oder ersetzt werden müssen.
Abschliessend stellt die Konstruktion des Brennkammer-Kopfendes und die Weise, in der die Düse in den Brennkammerdom integriert ist, wobei ein ringförmiger Domdiffusors geschaffen wird, der den Druck bei gleichzeitigem konvektivem Kühlen der Rückseite des Flammrohrdoms ohne Notwendigkeit des Einführens einer separaten Kühlluftquelle wiederherstellt, grössere Einfachheit mit Funktionalität bereit.
[0083] Gegenwärtig ist die erfinderische Düse für den Schwerlast-Industriemotor GE 9FB dimensioniert worden;
jedoch kann ihre Grösse nach oben oder unten skaliert werden, um mit nahezu jeder ringförmigen Brennkammer-Konstruktion zu arbeiten (z.B. 7H, 9H, 7FB, 7FA, 9FA, 6C usw.) Die Konstruktion könnte an einem vorhandenen Paket nachgerüstet werden, oder es könnte als ein neues Produktangebot eingeführt werden.
[0084] Während nur gewisse Merkmale der Erfindung hierin beschrieben und dargestellt worden sind, werden dem Fachmann zahlreiche Modifikationen und Änderungen in den Sinn kommen. Es versteht sich daher, dass die angehängten Ansprüche dafür vorgesehen sind, alle derartigen Modifikationen und Änderungen abzudecken, sofern sie dem wahren Geist der Erfindung entsprechen.
General state of the art
[0001] The invention relates generally to gas turbine combustors and, more particularly, to a lean premixed, multi-ring, radial inlet radial nozzle for a two-material annulus combustor which drastically reduces or eliminates combustion dynamics.
Fig. 1 illustrates a prior art combustor for a high performance industrial gas turbine 10 having a compressor 12 (shown in detail), a plurality of combustors 14 (shown for simplicity and clarity), and a (by a single bucket represented) turbine 16 includes. Although not specifically shown, the turbine 16 is drivingly connected to the compressor 12 along a common axis.
The compressor 12 pressurizes intake air, which is then directed inversely to the combustor 14 where it is used to cool the combustor 14 and to provide air for the combustion process. Although only one combustor 14 is shown, the gas turbine 10 includes a plurality of combustors 14 located around the circumference thereof. A transfer passage 18 connects the discharge end of each combustion chamber 14 to the inlet end of the turbine 16 to deliver the hot products of combustion to the turbine 16.
Each combustion chamber 14 includes a substantially cylindrical combustion chamber housing 24 which is secured to a turbine housing 26 at an open forward end by means of bolts 28.
The rear end of combustor housing 24 is closed by an end cover assembly 30 which may include conventional supply lines, manifolds and associated valves, etc. for supplying gas, liquid fuel, and air (and, if desired, water) to combustor 14. The end cap assembly 30 receives a plurality (eg, five) of fuel nozzle assemblies 32 (only one shown for simplicity and clarity) arranged in a circular array about a longitudinal axis of the combustor 14.
Each fuel nozzle assembly 32 is a substantially cylindrical body having a rear feed section 52 having inlets for receiving gaseous fuel, liquid fuel and air (and, if desired, water) and a front discharge section 54.
Within the combustion chamber housing 24, a substantially cylindrical flow sleeve 34 is attached in a substantially concentric relation thereto, which is connected at its front end to the outer wall 36 of the transfer channel 18.
The flow sleeve 34 is connected at its rear end by means of a radial flange 35 with the combustion chamber housing 24 at a butt joint 37, where front and rear portions of the combustion chamber housing 24 are joined together.
Within the flow sleeve 34, a concentrically arranged flame tube 38 is provided, which is connected at its front end to the inner wall 40 of the transfer channel 18. The rear end of the flame tube 38 is held by a flame tube cover assembly 42, which in turn is held within the combustion chamber housing 24 by a plurality of struts 39.
It will be understood that the outer wall 36 of the transfer passage 18 and that portion of the flow sleeve 34 which extends forward from the location where the combustor housing 24 is threaded (by bolts 28) to the turbine housing 26 have an array of openings 44 is formed over their respective peripheral surfaces to allow air to flow inversely from the compressor 12 through the openings 44 into the annular space between the flow sleeve 34 and the flame tube 38 toward the upstream or rear end of the combustion chamber 14 (as shown) the flow arrows shown in Fig. 1 are displayed).
The fire tube cover assembly 42 holds a plurality of premix tubes 46, one for each fuel nozzle assembly 32.
In particular, each premix tube 46 is held within the header tube assembly 42 at its forward and rearward ends by front and rear plates 47, 49, respectively, provided with apertures aligned with the premix tubes 46 with open ends. The premix tubes 46 are held so that the front discharge portions 54 of the respective fuel nozzle assemblies 32 are concentrically disposed therein.
The rear plate 49 secures a plurality of rearwardly extending floating bushings 48 (one for each premix tube 46) which are disposed in substantial alignment with the openings in the rear plate 49. Each floating sleeve 48 holds an annular air swirler 50 in relation to the respective fuel nozzle assembly 32.
Downstream of the swirler 50, radial fuel injectors 66 are provided for ejecting gaseous fuel into a premix zone 69 located within the premix tube 46. The arrangement is such that air flowing in the annular space between the flame tube 38 and the flow sleeve 34 is forced to reverse direction in the rear end of the combustion chamber 14 (between the end cover assembly 30 and the sleeve cover assembly 42) and through the swirlers 50 and premix tubes 46 before entering the combustion zone or combustion chamber 70 within the flame tube 38 downstream of the premix tubes 46.
Ignition is achieved in the plurality of combustors 14 by means of a spark plug 20 in conjunction with crossfire tubes 22 (one shown) in a conventional manner.
In the power plant concept, reducing the emissions of harmful gases, e.g. of nitrogen oxides (NOx) into the atmosphere of primary interest. To address this problem, low NO x combustion chambers have been developed which employ lean premixed combustion with multiple burners mounted on a single combustion chamber, such as e.g. in Fig. 1 described. Each burner includes a flow tube having a centrally located fuel nozzle that includes a cylindrical hub that holds fuel injectors and an air swirler and has a flat end face at its downstream end.
In addition to a premix injection stage for low-NOx operation, each fuel nozzle may include a start-up and emergency operation diffusion injection stage and a liquid fuel injection liquid-fuel injection stage.
Diffusion gas fuel and liquid fuel are typically injected via openings located on the flat end surface of the fuel nozzle. In low-NOx (premix) operation, fuel is injected through the fuel injectors and mixes with the fluidizing air in the flow tube. The diffusion and liquid fuel circuits are typically purged with air during the premixing operation to keep flame gases out of the passages.
The combustion flame is stabilized by bluff body recirculation behind the fuel nozzle and vortex disturbance when turbulence is present. In premix systems, severe pressure oscillations are typically produced as a result of combustion instabilities. It is believed that the combustion instabilities are related to the unidirectional flow separation of the steep end of the fuel nozzle. These pressure oscillations can severely limit the operation of the unit and, in some cases, even cause physical damage to the combustor components. In addition, the stream of purging air is blown through the diffusion and liquid fuel circuits directly into the recirculation zone.
This direct injection lowers the local temperature and the amount of recirculation, producing a detrimental effect on flame stability. Accordingly, there is a need for a low NOx combustor that reduces pressure oscillations and avoids the adverse effects of purging air being blown directly into the recirculation zone.
As previously described, in these present day dry-low-NOx (DLN) annular tube combustors of high performance industrial gas turbines, a plurality (or group) of premix nozzles are typically used which are constructed using a planar or angled cap dome Assembly are connected to a tubular flame tube. Mixing and grading of the fuel requires multiple nozzles to achieve throughput and performance throughout the intended operating and design range.
However, this approach creates a complicated and expensive assembly.
Also, evenly distributing air and fuel to the group of premixing fuel nozzles at the head end is difficult and generally results in less ideal uniform air flow to all nozzles or a significant amount of damaging pressure drop. Compared to conventional diffusion-type combustion, turbulence-stabilized lean premixed (LP) combustion tends to be highly susceptible to combustion induced vibration (dynamic instability).
Historically, in the gas turbine engine industry, the flame temperature (or primary zone temperature) in LP systems has been reduced to reduce NOx emissions.
Since (primarily due to new regulatory requirements) the level of acceptable NOx emissions has been reduced to single part per million (ppm) levels, the flame temperature, at least for high methane fuels, is very close to the lean-burn limit , LBO). With such lean mixtures, minor, periodic changes in the local fuel-air mixing ratio result in relatively large periodic changes in local heat release and heat release rates, even including local, periodic extinction of the flame.
The amplitude of discrete vibration frequencies (or sounds) may increase when the heat release variations are constructively in phase with the sound pressure variations encountered within the combustion chamber.
As current LP combustors become leaner and more spatially uniform in order to achieve increasingly lower NOx emissions, and are increasingly required to meet those emission targets when operating with a wider range of fuels, a given increases System the risk of encountering unacceptably high levels of combustion dynamics.
Although large single nozzle DLN and low NOx annular tube gas turbine combustion systems have been previously tested, most have failed due to operational, durability and emissions issues.
The lack of intelligent, tunable operating parameters and a lack of multiple independent combustion staging zones has led the industry to readily accept modular multi-nozzle (group) configurations. Multi-nozzle designs allow staging the fuel distribution on subgroups of nozzles to not only facilitate light-off and throughput, but to provide a tunable operating parameter to avoid dynamics (or vibration) encountered in operation in the design operating range.
The downside of offsetting the fuel distribution in the combustion chamber is to provide warmer temperature zones that promote NOx production.
Thus, if too much displacement is required to suppress dynamics or instability, it may overshoot the prescribed NOx emission limits, possibly putting the unit out of service. The LP combustion dynamics in industrial gas turbines are typically passively reduced in several ways, typically through a trial and error process that can be cumbersome and uncertain. Some of the methods are listed below:
<Tb> 1) <sep> shift the fuel injection points to change the fuel transport time from the point of injection to the flame front,
<Tb> 2) changing the fuel injection port sizes to change the pressure drop and the acoustic impedance across the bores, and
<Tb> 3) Modify the chamber or nozzle geometries (e.g., diameter, angles, lengths) to affect vortex shedding, frequencies and amplitudes, or the flame contour in the chamber.
These methods seek to force any disturbances in the heat release to be out of phase with (or destructively in phase with) pressure or sound disturbances in the combustion chamber. Combustor dynamics have also been reduced or eliminated by adding acoustic damping (e.g., Helmholtz resonators or quarter wave tubes) to the combustion system.
In the past, the above methods have tended to be considered and performed after the discovery of high combustor dynamics, rather than actively designing in the program during the initial design phase.
Accordingly, there is a need to provide a simpler, more scalable, less expensive LP combustor that is inherently much less likely, in the statistical and absolute sense, to excite discrete combustion oscillations at any load within the design / operating range promotes, while it has an above-average tolerance in the fuel mixture quality.
Assuming that the above solution were found and, as a result, the risk of ever discrete dynamics ever occurring in the given design operating range would have been significantly reduced, then the efficiency and likelihood of tuning to minimum emissions would be significantly increased in a given system ,
Essentially, the dynamics would not be such a significant and delicate part of the overall combustor design process.
Brief description of the invention
[0018] The present invention relates to an apparatus and method which produces three independent combustion zones in a gas turbine combustor with a lean premixed, multi-ring, radial inlet, multi-ring nozzle, thereby providing stable combustion with low nitrogen oxide (NOX) emissions ,
Briefly, in accordance with one aspect of the present invention, a lean premixed, multi-ring, radial inlet radial annulus nozzle is provided for creating three independent combustion zones within a two-material annulus gas turbine combustor.
The lean premixed, stepped multi-ring nozzle with radial inlet (hereinafter referred to as large radial single nozzle) includes an ignition zone, which is fed through a center insert; a flame retardant zone which is fed by an internal main gas fuel; a main flame zone, which is fed by an external main gas fuel; a main radial swirler for mixing a part of the incoming air to the nozzle with the inner main gas fuel supply and the outer main gas fuel supply; an end cap and means for controlling the ratio of ignition gas fuel supplied, internal main gas fuel supplied and an input outside main gas fuel.
According to another aspect of the present invention, a dual-fuel annulus combustor for a gas turbine engine is provided.
The combustor includes a lean premixed, multi-ring radial inlet (hereinafter referred to as a large radial single nozzle) staged annulus incorporating an outer burner tube and a main radial swirler mounted on an end cap for a combustor shell. A main combustion zone is provided downstream of the outer burner tube of each large radial jet. A source of compressed air from a compressor source is provided. An air inlet collecting chamber radially surrounds the large radial single nozzle and is enclosed radially by an outer wall of the combustion chamber. A compressed air diffuser receives the compressed air in a reverse flow path from the compressor and discharges the compressed air to the inlet collection chamber at a restored pressure.
A cowling mounted on top of the main radial swirler and surrounding a portion of the outer burner tube is provided for smoothing the air flow from the diffuser to the air intake manifold.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of utilizing a lean premixed stepped radial entry multi-annulus nozzle (hereinafter referred to as a large radial single nozzle) having independent combustion zones, the large radial single nozzle comprising an ignition zone, a flame retardation zone and a major zone within one Gas turbine combustor includes to provide stable combustion with low nitrogen oxide (NOX) emissions.
The method includes providing a large supply of air to the nozzle; nozzle internal grading; Relieving heat release into a plurality of discrete zones in space; Distributing heat release over time and venting a downstream central recirculation zone.
Brief description of the drawings
These and other features, aspects and advantages of the present invention will become better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings, in which like characters represent like parts throughout the several drawings wherein: FIG.
<Tb> FIG. 1 <sep> represents a prior art combustor with multiple nozzles;
<Tb> FIG. 2 <sep> represents an embodiment of an inventive combustor including a combustor with an inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 3A <sep> is an isometric section showing an internal structure for one embodiment of the structure of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 3B <sep> is an axial section showing an internal structure for one embodiment of the structure of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 4 <sep> is a view of the feed end of the end cover plate for one embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 5 <sep> represents fuel distributions and fuel passages in the end cap and in the backplate of one embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 6A <Figure> is an isometric view of a main radial swirler of one embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 6B <sep> represents details of main swirler vanes at the main radial swirler of one embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 6C <sep> is a top view of the main radial swirler for one embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 6D <sep> represents a section through the main swirler vanes and the central hub of the main radial swirler for one embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 6E <sep> represents a section through the back plate and the central hub of the main radial swirler of one embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 7 <sep> is a sectional view of the head end of the inventive combustor illustrating airflow and independent combustion zones of one embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 8th <sep> represents the central flame retainer, the gas igniting chamber and the center insert of one embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 9A and 9B <sep> represents the nozzle body of the gas ignition nozzle for an embodiment of the inventive large radial single nozzle;
<Tb> FIG. 10 <sep> represents an axial sectional view of a dual-material center insert of an embodiment of the inventive large radial single-nozzle and
<Tb> FIG. 11 <sep> represents an alternative embodiment of the flame retainer shell for the inventive large radial single nozzle.
Detailed description of the invention
The following embodiments of the present invention may have advantages including several innovative and unique features:
<Tb> (1) <sep> Allowing multiple (e.g., six) premix nozzles (per pipe) and one combustor lid to be replaced with only one large radial nozzle and flame tube modification, thereby achieving a substantial reduction in part count, cost savings, and drastic simplification of the head end of the combustor;
<Tb> (2) <sep> Using a dome diffuser design for convective backside cooling of the flue tube dome while restoring static pressure prior to premixing fuel and air in the large radial nozzle, causing less damaging pressure drop and making more air available for pre-mixing;
<Tb> (3) <sep> Provide the capacity for fast (e.g. <3 ms) and thoroughly vaporizing and mixing large quantities of fuel (¯ 2 lbm / s) and air (¯ 60 lbm / s) at a relatively low pressure drop (for example <4%) and
<Tb> (4) Using either gas fuel or liquid fuel, this is dynamically more robust and less prone to combustion-related vibrations than present-day lean-burn (LP) gas turbine combustion systems by strategically distributing both heat release (in time and space) and fuel transport time in the chamber or blurring while still providing the necessary system throughput and low exhaust emissions.
Effect of the construction is varied
<Tb> (1) <dr> drastically reducing costs and parts count by replacing five or more nozzles per pipe with one;
<Tb> (2) <dr> drastically reducing or even eliminating combustion dynamics / vibrations at discrete frequencies in combustion chambers of industrial gas turbines while maintaining required emission levels;
<Tb> (3) <sep> Flexibility in terms of gas and liquid fuels, coupled with the success of improving combustion dynamics;
<Tb> (4) <sep> DLN with liquid fuels such as diesel oil No. 2 with the elimination of the need for water injection and high-pressure atomizing air and
<Tb> (5) <sep> Harmful emissions in the low single-digit ppmv range
The successful transition from a multi-nozzle arrangement to a large single nozzle requires nozzle internal grading. A zone of angled V-Gutter flame retainer used in this design provides a region for fuel staging within the main premix nozzle. For example, presetting the fuel-to-air ratio to be richer near the hub (or centerbody) in the premixer may allow a central flame retardant zone to burn at a higher equivalent ratio relative to the bypass flow resulting in ignition, engine acceleration, low-load operation or managing sudden load shifts may be beneficial (or even necessary).
Presetting the fuel-to-air ratio, in conjunction with other staging features (such as pre-mixed ignition combustion), allows for a large radial single-nozzle in gas turbine combustion systems to have multiple nozzles (e.g. B. six) per tube - resulting in a significant reduction in the number of parts and cost savings for the combustion system and engine as a whole.
The reduction in combustion dynamics would, while maintaining or even reducing harmful exhaust emissions (eg. B. unburned hydrocarbons (UHC), NOX and carbon monoxide (CO)) relative to the firing temperatures that occur in the design range.
In the lean premixed, stepped multi-ring nozzle with radial inlet (hereinafter referred to as large radial single nozzle), it is by design less likely that combustion-related, discrete vibration frequencies are excited when the specified fraction (z. B. about 33% of the jet reactants) of well mixed reactants is diverted to burn as an angled array of discrete V-Gutter zones upstream of the main chamber.
The arrangement of axial jets that pass through the conical V-Gutter package structure reduces discrete dynamics and improves emissions in several ways.
First, the arrangement relieves the heat release into a plurality of discrete reaction zones in space, each reacting in spatial scales much smaller than that of the entire combustion chamber. This effectively limits the amount of energy release that can be structurally coupled at a particular acoustic resonant frequency within the chamber.
Second, the angled V-cutters provide a variety of fuel transport times, which spreads (or blurs) the heat release over time.
That is, each point along the V-Gutter length has its own associated transport time: the time between the point (s) of fuel injection and the point (s) of combustion. This also effectively limits the amount of heat release energy that can be structurally coupled at a particular acoustic resonant frequency of the chamber.
Third, the function of the Entwirblerpakets the "ventilation" of the downstream central recirculation zone (CRZ), resulting from vortex shedding. From the central cone, the expanding array of jets exerts non-turbulent axial momentum directly into the CRZ, reducing the size and main residence time of the CRZ.
This in turn reduces nitrogen oxide (NOx) production by decreasing the average time the combustion product molecules spend at the primary zone (flame) temperature in the combustor. The concept of "time at temperature" for NOx production becomes increasingly significant at flame temperatures above 2900 F at which the thermal NOx mechanism (or Zeldovich mechanism) begins to accelerate and its contribution to the NOx levels of the overall system begins to increase significantly.
For operation with diesel liquid fuel, the nozzle further provides a coking preventing construction, with no water and no atomizing air required. Aspects of construction prevent coking of the fuel distribution through an insulated fuel distribution wall for high reliability.
The liquid fuel is rapidly atomized and thoroughly dispersed into the premixer airflow while being kept away from hot premixer surfaces to vaporize and quickly mix with the air. The liquid injection method does not adversely affect the gas operation.
Eliminating the need for water injection and high pressure atomizing air also provides cost savings.
Complete fuel-air mixture formation occurs rapidly (approximately 2 ms), thoroughly (greater than 97%), and requires a small premixer differential pressure (¯ 2%), reducing the required premix residence time to a shorter, more compact Design and stay "diesel" under diesel auto-ignition in "more demanding" gas turbine conditions.
Several other aspects and advantages of the invention will become apparent in the description. The throughput capability is increased via fuel staging (3 pseudo-independent combustion zones).
The use of a backside-cooled dome eliminates the need for flame tube cooling air in the flame zone.
Also, the axially symmetric, radial combustion step does not expose the fire tube to any asymmetric loading, thereby providing improved durability of the fire tube.
Further improved internal premix flame retention / tolerance: flow is accelerated throughout the premixer nozzle; Main speed is maintained above about 300 ft / s.
A V-Gutter tilt angle (radial-axial plane) and the Entwirblerschaufelprofil were chosen as the two parameters to be optimized.
The V-Gutter tilt angle has been varied between 30 and 60 degrees to maximize the tilt angle while still creating a well-defined, steady V -utter wake to assist an independent combustion zone. For non-responsive CFD, the 40 degree configuration was the largest angle that produced a steady V-Gutter wake with the other nozzle features held constant. The skimmer blade profile was successfully tuned / optimized by aligning the inlet blade angle to the incoming swirling flow and using the blade grid geometry to accelerate the flow through the package; which prevents any tearing off of the flow in the package.
FIG. Figure 2 illustrates an embodiment of the inventive large radial single nozzle used in an inventive combustor.
The combustor with large radial single nozzle 100 includes a substantially cylindrical combustor housing 105 which may be secured to an adapter at an open forward end for connection to a turbine by inserting a fire tube into the transition piece (not shown).
The transition piece can then be secured in the usual manner at an open front end by screws to a turbine housing. The rear end of the combustor housing is closed by an end cover assembly 130 which is adaptable to conventional packages for supply lines, manifolds, valves and fittings for gas fuel, liquid fuel, air and electricity (not shown).
The end cap assembly 130 is part of a large radial nozzle assembly 120 and secures it to the combustor housing 105.
Within the combustion chamber housing 105, a flow sleeve 106 is mounted in a substantially concentric relation thereto. Within the flow sleeve 106 there is a concentrically arranged flame tube 110 which is connected at its front end 112 to the inner wall of the transfer tube (not shown) into which it is inserted.
The rear end of fire tube 110 forms a frusto-conical dome 111 on a main combustion chamber 114, the frusto-conical dome 111 being open at its center for the fuel and combustion product flow from the large radial nozzle 120, and further with the outer burner tube 113 of the large radial nozzle 120 comes together.
Air for the combustion process may be introduced from the air compressor into the transition piece (as previously described with reference to FIG. 1 described) and are sucked from there through the annular space 115 between the flow sleeve and the outer wall of the flame tube. At the rear end of the annular space, a concentrically mounted diffuser 116 expands the air into the inlet collection chamber 117 for the large radial nozzle 120.
The dome 111 serves as the inner concentric wall of the diffuser 116, allowing backside cooling of the dome 111 by the air flowing through the diffuser 116. At the same time, the diffuser 116 restores the static pressure for the air prior to premixing fuel and air in the large radial nozzle 120, resulting in less damaging pressure loss and more air available for premixing. A cowling 118 around the center of the large radial nozzle 120 smoothes the air inlet into the inlet collection chamber 117, whereby the harmful pressure loss is further reduced.
The large radial nozzle 120 further includes a main radial swirler 140, a gas ignition nozzle 150, a central flame holder with a V-neck flame retainer 160, and an outer flame retainer 170.
The central flame holder 160 and the outer flame holder 170 open at their front end in the main combustion chamber 114th
The end cap 130 may be a generally cylindrically shaped flange constructed to mate with a combustor housing 105 and retain the radial nozzle assembly 120 within the combustor 100. The rear surface 135 of the end cap 130 provides passages for bi-fuel (gas and liquid fuel) and gas igniter 150. An outer main gas supply 190, an inner main gas supply 190 and one of a plurality of liquid gas connections 195 are shown in FIG. 3A.
The arrangement of the fuel and air passages allows connection to existing combustor configurations of fuel, air and power lines (not shown).
FIG. 3A illustrates an isometric view showing an internal structure for one embodiment of the inventive large radial single nozzle. FIG. FIG. 3B illustrates an axial section showing an internal structure for one embodiment of the inventive large radial single nozzle. FIG. The nozzle is axially symmetric along a central axis 200.
The end cover assembly 130 includes an end cover plate 205 having a rear portion 201, a front portion 202 and a central cavity 203. A main radial swirler 140 includes a back plate 240, a plurality of swirl vanes 250, and a center hub 260 having a central cavity 265 therein.
The back plate 240 is bolted to the mounting surface 241 with the end cover plate 205.
A central flame holder 160 is mounted on top of the central hub 260. A central hub 285 of the central flame retainer 160 engages the central hub 260 of the main radial swirler 140 to radially and axially hold the central flame retainer 160. Radial vanes 360 hold the inner burner tube 300 from the central hub 285. Multiple V-cutters 290 extend between the inner burner tube 300 and the central hub 285. Within the central hub 285, a central cavity 278 is formed.
Mounted on top of the swirl vanes 250 of the main radial swirler 140 is an outer flame holder 170 having a cylindrical outer burner tube 175 with a base portion 180 which widens radially outward and is bolted to the top of the swirl vanes 250 by screws 183. The downstream end 178 of the outer burner tube 175 also widens outwardly and is reinforced to support the conical dome 111 (FIG. 2) to give the combustion chamber. Retaining tab 179 engages with the conical combustion chamber dome 111 into each other. A fuel-air mixture passes from the main radial swirler 140 through 402 to a flame retardant zone and through 405 to a main zone (FIG. 7).
The central cavities 203, 265 and 278 allow the insertion of a gas ignition nozzle 150 including a gas ignition device and a center insert including a liquid ignition device and a detonator.
FIG. 4 illustrates a rear view of the end cover plate of one embodiment of the inventive large radial single nozzle with respect to a combustion chamber in which it may be installed. The end cover plate 205 includes the one-piece cylindrically-shaped rear portion and a cylindrically-shaped front portion (FIG. 3A) of smaller diameter, both layers being centered about the central axis 200 of the nozzle.
The radial size of the rear portion 201 is such that it mates with a rear seat surface of the combustion chamber (not shown) and includes a plurality of bolt holes 206 formed for attachment to the seating surface of the combustion chamber axially and close to the outer peripheral surface 207 of the outer portion 201 , The rear portion 201 may also include a plurality of (similarly aligned) guide holes 208 for positioning the rear portion 201 with respect to the seating surface of the combustion chamber in preparation for the screwing.
The front seat surface 205 of the forward portion 202 may also include a plurality of bolt holes 209 in a circular configuration concentric with the centerline 200 and configured to receive bolts from the mounting surface 241 of the backplate 240 for the main radial swirler 250 (FIG. 3A).
To the Enddeckelplatte 205 two independent gas fuel feeds can be connected. The rear portion 201 includes an outer main gas passage 215 attached to an outer main gas supply inlet pipe 216 having an outer main gas inlet flange 217 for connection to the outer main gas fuel supply (not shown). The rear portion 201 further includes an inner main gas passage 220 having a fitting 219 for connection to an inner main gas supply (not shown).
The end cover plate 205 may also include a plurality of liquid fuel supply passages 243 disposed concentrically with the central axis 200 of the nozzle.
FIG. 4 also illustrates the rear end of gas ignition nozzle 150. The central cavity 203 is defined within the end cover plate 205 and extends radially from the central axis 200 and extends through the rear portion 201 and the front portion 202 for insertion of a gas ignition nozzle. The central cavity 203 includes a gas igniter seating surface 210 (FIG. 3B) with threaded connections for engagement with a rear gas firing nozzle flange 212 for attaching the gas ignition nozzle 150.
FIG. Figure 5 illustrates fuel distributions in the end cap and in the back plate of one embodiment of the inventive nozzle.
The outer main gas passage 215 (Fig. 4) is connected to an outer main gas distribution 310 in the end cover plate 205. The outer main gas distribution 310 defines an annular chamber which is concentric with the central axis 200 of the nozzle. The inner wall 311 and the outer wall 312 of the outer main gas distribution 310 may be arranged radially with respect to the center axis 200 of the nozzle, so that the open upper end 315 of the outer main gas distribution 310 with a plurality of corresponding outer main gas channels 665 (FIG. 3B) within the main swirler back plate 240.
The inner main gas passage 220 is connected to an inner main gas distribution 330 in the end cover plate 205. The inner main gas distribution 330 defines an annular chamber which is concentric with the central axis 200 of the nozzle.
The inner wall 317 and the outer wall 318 of the inner main gas distribution 330 may be concentric with the center axis 200 of the nozzle. The inner main gas distribution 330 is disposed radially between the outer main gas passage 310 and the central cavity 203. The inner wall 317 and the outer wall 318 of the inner main gas distribution are arranged radially, so that the open upper end 319 of the inner main gas distribution 330 with corresponding inner main gas channels 680 (Fig. 7) within the main swirler back plate 240 to supply indoor main gas to inner main gas injection points 695 on the base surface 242 between the swirl vanes 250.
Liquid fuel supply passages 243 extend axially through the rear portion 201 of the end cap 205 and communicate with a main liquid fuel distribution 244.
The main liquid fuel distribution 244 defines an annular chamber which is concentric and sealed to the central axis 200 of the nozzle, excluding liquid fuel supply passages 243 and liquid fuel discharge passages 246. The main liquid fuel distribution 244 is disposed radially to align with the liquid fuel supply passages 243 and the liquid fuel discharge passages 246 forwardly on the end cover plate 205. The liquid fuel delivery passages 246 extend through the forward portion 202 of the endcap 205 to mate with corresponding liquid fuel delivery passages 247 in the main radial swirler backplate 240 leading to liquid fuel atomizers 248 in the main swirler back plate 240.
The walls of the main liquid fuel distribution 244 and the liquid fuel supply passage 246 in the end cap 205 and the fuel discharge passages 247 in the back plate 240 may be provided with an insulated liner 249 to keep the wall temperatures below 290 degrees F where coking of Diesel liquid fuel begins. Connectors 218 are provided outside the liquid fuel supply passages for connection to the liquid fuel supply.
Because the end cover plate 205 and the main swirler back plate 240 intermesh in a metal-to-metal seat surface 241, provisions are made to isolate potential leakage from the fuel cavities along the seat surfaces 204, 241.
Three annular recesses (Fig. 5) concentric with the nozzle center axis 200 may be provided on the upper seating surface 204 of the end cover plate 205. The first recess 381 is provided outside the outer main gas distribution 310. The second recess 382 is provided between the outer main gas distribution 310 and the inner main gas distribution 330. The third recess 383 is provided inside the inner main gas distribution 330. The recesses may be provided with C-rings or other suitable sealing material to prevent flow along the seating surface.
FIG. 6A to 6E are views of a main radial swirler for one embodiment of the inventive nozzle. FIG. 6A illustrates an isometric view of a main radial swirler of one embodiment of the inventive nozzle.
FIG. Figure 6B illustrates details of main swirler vanes at the main radial swirler of one embodiment of the inventive nozzle. FIG. 6C illustrates a top view of the main radial swirler for one embodiment of the inventive nozzle. FIG. 6D illustrates a section through the main swirler vanes and the central hub of the main radial swirler for one embodiment of the inventive nozzle.
FIG. Figure 6E illustrates a section through the backplate and central hub of the main radial swirler of one embodiment of the inventive nozzle.
The main radial swirler 140 includes a backplate 240 having a one-piece central hub 260, a plurality of main swirler vanes 250 mounted on the backplate 240 and projecting orthogonal to the backplate 240 (downstream of the combustion zones), a central cavity 265 for receiving the gas ignition nozzle 150 and a series of internal passages within the backplate and main swirler blades 250 to supply a flow of fuel and air.
The back plate 240 includes a cylindrically shaped flange centered on the center axis 200 of the nozzle.
The radial size of a base surface 241 of the back plate 240 is such that it mates with the front surface 204 of the end cover plate 205. The back surface mounting surface 242 has a plurality of recesses 371 for receiving the screw holes 372 about the periphery of the back plate 240. The bolt holes 372 extend to the base surface 241 of the back plate 240 and are aligned with the bolt holes 209 on the front 204 surface of the end cover plate 205.
The attachment surface 242 of the backplate 240 accommodates the attachment of multiple main swirler vanes 250 and the incorporation of fuel injection points into an airflow steam within the main radial swirler 140.
The plurality of main swirler vanes 250, each including a solid metal vane profile 610, may be mounted orthogonal to the backplate 240 and axially aligned with the combustion zones. The main swirler vanes 250 may be mounted radially within the circumferential screw bore recesses 371 and radially outward of the central hub 260. A leading edge 615 of each airfoil projects generally radially outward, and a trailing edge 620 projects generally radially inwardly.
The axis 625 of each airfoil may form a predetermined acute angle a (approximately 15D) 630 having a radius 635 from the central axis 200 of the nozzle. While the leading edge 615 of the airfoil 610 forms a curved surface, the side surfaces 640, 641 of the airfoil 610 may form a straight taper to the common rectilinear trailing edge 620. The lower surface 645 and the upper surface 650 of the airfoil 610 form planar surfaces.
The bottom surface 645 may be attached to the mounting surface 242 of the back plate 240 by welding or other suitable process.
A plurality of outer fuel gas injection points 655 are provided along a radius concentric with the center axis 200 of the nozzle on a side surface 640 of the airfoil 610 just inside the curved leading edge 615. The injection of external primary gas fuel is provided approximately normal to the airflow 660 passing between the adjacent swirl vanes. However, injection points 655 may also be provided on both side surfaces of the airfoil and at other locations than are included in the present embodiment.
The injection points may be approximately equidistantly axially along the side surface 640 of the airfoil 610 to allow for even distribution of the outer main gas fuel into the airflow 660 between the airfoils 610 in a circulating premixing space 605. The airfoils 610 further include an internal fuel cavity 665 that supplies the injection holes 657. The fuel cavity 665 may be a generally cylindrically-shaped bore that rises axially from the base surface 241 into the airfoil 610 and expands close to and in communication with the injection bores 657. The fuel cavity 665 directs outer main gas fuel from the fuel cavity 310 into the end plate 205.
The injection holes 657 within each airfoil 610 extend radially with respect to the cylindrical fuel cavity 665 to supply fuel to the injection points 655. The upper surface 650 of each airfoil 610 may further include a threaded bore 670 for attaching the outer burner pipe 175 to the main swirler blades 250.
Inner main gas passages 680 (Fig. 7) in the back plate 240 extend axially from the inner main gas distribution 330 in the end cover plate 205 to the mounting surface 242 of the back plate 240. In each of the inner main gas passages 680, an opening 685 may be provided to control the gas release.
On the mounting surface 242, injection points 690 are provided approximately equidistant from the side surfaces 640, 642 of adjacent airfoils 610 and at a point approximately halfway along the side surfaces 640, 642 of the adjacent airfoils 610. In exemplary 24 airfoils 610, 24 injection points 690 are provided.
An injection tip 695 at each injection point 690 that extends slightly beyond the mounting surface 242 of the backplate 240 causes the gas above the laminar airflow to be injected on the mounting surface.
In gas operation, as described above, gaseous fuel is discharged from a plurality of injection points 655 disposed axially along sidewalls 640 of the wing profiles 610 and from injection points 695 on the mounting surface 242 of the backplate 240 into the airflow of the main radial swirler 140 injected. The main gas fuel is supplied from two independent feed sources, as shown in FIG. 4 to affect the radial profile of the fuel-air mixture in an annular vortex volume (premix annular chamber) 255.
That is, the mixture near the central hub 260, which ultimately passes through the central flame holder, is made richer or leaner by varying the ratio of the fuel supply from the two sources as compared to the mixture near the swirl vanes 250 (bypassing the central flame holder) can. External means may be provided to control this ratio of indoor home gas fuel fed and external primary gas fuel supplied. This may include controlling the throttling, pressure control, or other means known in the art that may be used outside the nozzle.
For liquid fuel operation, multiple liquid fuel injection points 245 are also provided on the mounting surface 242 of the rear plate 240.
These liquid fuel injection points 245 are positioned on top of the liquid fuel discharge channels 24 6 in the back plate 240. The liquid fuel channels 246 in the back plate 240 may include a thermal insulating layer 249. The liquid fuel injection points 245 are concentric with the central axis 200 and may be positioned to inject liquid fuel into the annular vortex volume 255 at approximately the locus of the trailing edges 620 of the airfoils 610. In an exemplary arrangement, six liquid fuel injection points 245 are provided circumferentially equidistant around the mounting surface 242.
Each liquid fuel injection point 245 is provided with a tip 252 which includes a conical nebulizer 248 threaded into threads 253 for the liquid fuel discharge channel 247. The atomizer 248 sprays liquid fuel in the axial direction normal to the mounting surface 242 into the airflow.
FIG. Figure 7 illustrates a section of the head end of the inventive combustor illustrating airflow and fuel-air flow defining the independent combustion zones of one embodiment of the inventive nozzle. As described earlier and with reference to FIG. 5-7, the inventive combustor incorporating the large radial single nozzle provides three independent combustion zones. The ignition gas nozzle 150 generates ignition combustion zone Z1.
Flame retardant combustion zone Z2 is generated by the axial flow from the descrambler 280 passing over the V-gate 290 in the central flame retainer 160. Hauptverbrennungszone Z3 is generated by the fact that fuel-air mixture between the inner burner tube 300 of the central flame holder 160 and the outer burner tube 175 of the outer flame holder 17 0 flows into the main combustion chamber 114.
From the diffuser 116, an air flow flows into the inlet collection chamber 117. The main swirler vanes 250 define a flow path 660 for incoming air from the intake manifold 117 to the combustion chamber. About 95% of the air entering the nozzle flows between the main swirler blades 250.
The incoming air into which outside main gas has been injected from the airfoils 610 and inside main gas has been injected from the injection points 690 on the mounting surface 242 and / or liquid fuel has been injected from the atomizers 248 is directed by the airfoils 610 to (viewed from the end of the combustion) in an anticlockwise direction through the annular vortex volume 255 (the volume between the vortex vanes and the central hub).
Within the annular vortex volume 255, the continued vortexing mixes the fuel with the air.
The central hub 260 includes an outer cylindrical frusto-conical surface centered on the center axis 200 of the nozzle to minimize the flow resistance to a circulating fuel-air mixture from the main swirler vanes as it ascends into the central flame holder 160. The central hub 260 forms a smooth surface that rises from the mounting surface 242 of the back plate 240 and slopes concavely inwardly to provide radial and axial support for the center flame retainer 160. Specifically, at its truncated upper portion, the center hub 260 provides an outer annular support tab 273 for the central flame retainer 160.
The inner surface 263 of the central hub 260 defines a cavity 2 65 that receives a gas igniter nozzle 150 and includes an internal air flow path to the gas ignitor 150. The inner surface 263 of the central hub further includes an inner annular attachment ridge 274 for the central flame holder 160.
The series of internal passages within the backplate include passages for outside main gas from the outside main gas distribution in the end cover to the swirl vanes; for the inner main gas distribution in the end cap to gas injection nozzles on the mounting surface of the back plate;
for liquid fuel from the liquid fuel discharge passages in the end cap to atomizers on the mounting surface of the back plate and air passages from the peripheral outer edge of the back plate to the central cavity for cooling and Zündvormischluft to Radialdüsenmitte / -kern.
The inner passage 680 for inner main gas to the inner main gas injection nozzle tips 695 on the mounting surface 242 of the back plate 240 may include, in each passage, openings 685 for controlling the gas flow rates to the gas injection nozzle tips 695. The outer peripheral surface 257 of the rear plate 240 includes a plurality of radial feed bores 275 directed inwardly toward the central cavity 265 for supplying a flow of cooling air and priming air to the central cavity 265.
The axial passages within the backplate for outer main gas 270, inner main gas 680, and liquid fuel 247 are located at circumferential locations between the various radial feed bores 275.
The central flame holder 160 may include a central hub 285, a central cavity 278, a de-winder 280, and a plurality of V-cutters 290, an inner burner tube 300, and a holding tower 295.
When the air flow from between the main swirler blades 250 is forced into a rotational flow within the annular swirl volume 255, the single exit path is downstream. About 30% of the fuel-air mixture swirled in the main radial swirler 240 enters the central flame holder 160. The central flame holder 160 includes the holding tower 350, which sits on top of the central hub 260 of the main radial swirler 240.
The retaining tower 350 engages the outer retaining land 273 and the inner retaining land 274 of the cylindrical retaining hub of the central hub 260 to provide axial and radial support for the central flame retainer 160. Retaining arm 355 of the holding tower 300 rests on the outer retaining bar 273 and the inner retaining bar 274. A central cavity 280 within the holding tower 295 and central hub 285 may receive the gas ignition nozzle 150.
Referring to FIG. 8, sits on top of the hold tower 295 of the Entwirbler 280 and the concentric, attached to the hub, conical V-Gutter flame holder package. The Entwirbler 280 includes between the central hub 285 and the inner burner tube 295 a plurality of partial annular chambers 345th The partial annular chambers 345 are open at the upstream entrance 347 and downstream exit 348 for the fuel-air mixture.
A radial vane 360 is provided between each of the partial annular chambers 345, with the radial vane extending from the central hub 285 to the inner burner tube 295. Each radial vane 360 curves from a reasonably flat slope at the upstream entrance 347 to a steep slope at the downstream exit 348 of the partial annular chamber 345. The shallow axial slope at the upstream entrance accommodates the receipt of the swirling circulating flow of the fuel-air mixture from the main swirler blades 250 of the main radial swirler 140. Approximately 30% of the fuel-air mixture from the annular vortex volume 255 of the main radial swirler 140 flows into the partial annular chambers 345 of the descrambler 280.
The varying inclination of the radial vanes 360 redirects the circulating flow to an axially directed flow exiting each individual sub-annulus 360. The redirected axial flow provides ventilation to the central recirculation zone (CRZ) as described earlier.
Referring to FIG. 3B and FIG. 8, an annular tip 380 of the central hub 285 defines a planar surface I. An annular tip of the inner burner tube 295 defines a planar surface II. The flat surface I lies downstream of the flat surface II.
The radial vanes 360 of the Entwirblers 280 form at its downstream end an inclined edge between the annular tip 380 of the central hub 285 and the tip 385 of the inner burner tube 300, which increases with an inclination of about 30%.
At the downstream end of each radial vane 360, a V-gate 290 is provided. The V-Gutter 290 includes a V-shaped member 375 with the open end 376 facing downstream.
A vertex 377 of the v-shaped member 376 is attached to and extends through the annular hub 380 of the central hub along the downstream edge of the radial wall 360 and through the tip 385 of the inner burner tube 300.
An outer flame holder 170 includes a generally cylindrical outer burner tube 175 which widens at an upstream end to form an annular seating surface for mating with the main swirler. The cylindrical tube radially surrounds the combustion chamber beyond the central flame holder 160 and extends therefrom. The downstream end 190 of the outer burner tube 175 is reinforced. Bar 195 provides a seating surface for engagement with conical dome 111 (Fig. 2) the combustion chamber ready.
An annular seating surface 180 of the outer burner tube 175 widens radially outwardly at its upstream end. The seat surface 180 forms a roof over the main swirler 250 of the main radial swirler 140, thereby limiting the fuel-air mixture exit path from the main radial swirler 140 to downstream flow paths 402 and 405. The seat surface 180 may be attached to the top of each wing profile for the main swirler vanes with multiple screws, one screw for each threaded hole on top of the wing profile.
The annular space is formed between the inner burner tube 295 of the central flame holder 160 and the outer burner tube 175 of the outer flame holder 170 for the flow 405 of the remaining 70% of the fuel-air mixture from the Hauptradialverwirbler 140 to the combustion chamber.
FIG. FIG. 8 illustrates the central flame retainer, the gas igniter chamber and the center insert for one embodiment of the inventive large radial single nozzle. FIG.
An airflow path for the remaining 5% of incoming air from the intake air collection chamber leads from the peripheral edge 257 of the back plate 240 through a plurality of radial passages 275 (in embodiment 12) to the central cavity 260 of the nozzle 140.
As a means of achieving light-off, combustor throughput, and stability, a central gas igniter 150 is located within the conical flame arrester volume at the smallest diameter upstream end. The gas ignition nozzle 150 provides a center insert 155, which may include an igniter / flame detector and a liquid gas ignition device.
The roughly 5% air flow to the radial nozzle, entering the circumferential surface 257 of the rear plate 240 for the main radial swirler 140 through radial flow bores 275, are internally split.
About 80% of this air flows forward through an air supply annulus between the inner wall of the central cavity 2 65 of the central hub and an outer surface 812 of an annular shell 810 of the gas ignition nozzle 150 to form an annular axial vortex gas primer 855. The remainder of the air passes through a plurality of radial feed bores 875 in the annular shell 810 into the center insert to be used for liquid ignition atomization as well as cooling and purging of the center unit tip.
FIG. 9A and 9B illustrate the nozzle body of the gas ignition nozzle for one embodiment of the inventive large radial single nozzle.
The gas ignition nozzle 150 comprises a body 805 with annular sheath 810, which can be loaded from behind through the end cover plate 205 into the central cavity 203 of the nozzle 140.
The annular shell 810 includes at its rear end a rear flange 815 having a plurality of bolt holes 816 for attaching its front surface 817 to the seat post 210 within the central cavity 203 of the end cap 205. The rear flange 815 is also provided with a central bore 818 for insertion of the center insert 155 and includes a raised surface 819 on the rear surface 820 around the central cavity, including threaded holes 821 for bolting the center insert 155 to the rear gas igniter flange 815 ,
The rear flange 815 is also provided with a passage 230 for connection to a pilot gas fuel supply for the gas ignition operation.
The gas ignitor nozzle body 805 extends through the central cavities 203, 265, 278 of the nozzle 120 and into the cylindrical hub 370 of the central flame holder 160. The annular gas ignitor shell 810 tapers in steps from the rear end to the front end. The annular shell 810 includes a lower shell 835, a tapered shell 840, a middle shell 845, and a tapered head 850.
Also, an annular gas-firing air flow space 864 is defined between the inner wall 368 of the cylindrical hub 370 and the inner wall 296 of holding tower 295 and the outer surfaces 842, 847 of the tapered shell 840 and middle shell 845.
Air from inner radial ends 277 of the center radial feed bores 275 in the backplate 240 enters the gas igniting air flow space 864 and flows axially forwardly toward the axial swirling gas igniting premixer 855.
Passage 230 in the firing gas fuel rear flange 815 supplies internal ignition gas fuel cavities 862 in the annular shell 810. The inner pilot gas fuel cavities 842 within the lower shell 835 deliver ignition gas fuel to the annular ignition gas space 866 between the inner wall of the annular shell 810 and the outer surface 872 of the center insert 155.
The tapered head 850 extends in close proximity to the cylindrical hub 370 forming a gas igniting chamber 825 between the outer surface 830 of the tapered annular head 850 and the inner surface 368 of the cylindrical hub 370. Several pilot gas fuel wells 860 extend radially through the annular shell at the upstream entrance between adjacent axial mixing vanes 857, thus providing ignition gas fuel injection points.
The front portion of the middle shell 845 receives on the outer surface 847 a plurality of axial mixing vanes 857 in the general shape of gas turbine fuel mixing airfoil and air moving downstream in the air flow space 864, thereby forming the annular axial vortex gas primer 855.
The center insert 155 includes the cylindrical body 405 mounted on a rear flange 224. The center insert 155 is inserted into the central cavity 203 of the gas igniter nozzle body 805 and threaded through the rear flange 224 onto the raised rear surface 820.
The rear flange 224 provides an axial passageway for connections to an igniter and flame detector 236 and on its peripheral surface provides a radial passage 232 for liquid ignition fuel and a radial passage 234 for air. The center insert 155 is aligned with the center axis 200 of the nozzle.
FIG. Figure 10 illustrates an axial section through the tip end of the center insert 155 for one embodiment of the inventive nozzle. The center insert 155 is enclosed radially within an insert wall 872 and at the downstream end by an end tip 885. The igniter 875 extends in the axial direction from the center insert flange 224 to the end tip 885. The liquid fuel igniter 880 extends from the center insert flange 224 to the end tip 885.
Air cavity 873 receives air for use within the center insert. Air for center use enters from the radial feed bores 275 in the back plate 240 and exits through bores 277 into the space 864 between the ignition nozzle 150 and the inner surface 368 of the holding tower 270. Part of the air entering the space 864 enters the center insert 155 through the insert feed bores 870, fills the air cavity around the igniter 875 and the liquid fuel igniter 880, and extends forward to a tip baffle 865. The tip baffle 865 seals the top of the cavity and includes a plurality of tip bores 867 (18 holes in the present embodiment).
Air from the peak baffle 865 is directed to an annular air passage 876 at the downstream end of the igniter 875 to assist ignition. Air from the peak baffle 865 is also supplied to the conical annular chamber 881 around a heat shield 882 on the liquid fuel igniter 880. Air jet atomizer collars 884 provide multiple offset jet holes 883. The liquid ignition fuel is provided through a cylindrical cavity 890 in liquid ignition device body 891. A frusto-conical ring of a swirl chamber wall 892 at the tip defines therein a swirl chamber 893 for the liquid fuel. Around the liquid ignition device body 891 is provided an annular air gap 894 for thermal insulation.
Around the annular air gap 894, an auxiliary air ring 895 is provided, which is connected to the auxiliary air supply in the flange 224 of the center insert 155. Within the auxiliary air ring 895 is an auxiliary air swirler 896 (embodiment includes 8 swirl vanes 897). The swirl vanes 897 impart whirling motion to the auxiliary air introduced to the swirl chamber 893.
FIG. 11 illustrates an alternative embodiment of the central flame retainer for the large radial single nozzle 900. Here, the flame holder 905 consists of a perforated shell 910.
The perforated shell 910 is comprised of a plurality of holes 920 about the central axis 915 through which (approximately) 30% of the air-fuel mixture 950 coming from the annular chamber region passes, partially mixing with the ignition air-fuel mixture 955 coming from the ignition nozzle 960, and partially burns at the exit of these holes 920. The holes 920 are provided with fillets 930 to minimize the separation at the corners. Around the shell 910 is provided a collar 940 for directing the flow into the shell. The lower convex end 945 of the shell 920 is open and shaped to receive the ignition air-fuel mixture 955 from the gas nozzle 960. Thus, the heat release in this case takes place in 3 stages. The first stage is the ignition zone.
The second stage is the air-fuel mixture burning at the exit of these holes 920, and the third stage is the flow bypassing the perforated shell 920.
The foregoing has described a large radial single nozzle for a gas turbine combustor which provides substantial operational improvements over multi-nozzle designs. First, the nozzle internal combustion staging provided by the nozzle premix design, particularly the tapered V-guttered flame retardant in conjunction with external controllable gas main fuel injection paths and internal main gas fuel injection paths, is a unique aspect of this design. This aspect allows multiple nozzles (per combustion chamber) to be replaced by one, resulting in substantial savings in cost and part count.
Second, reduction of combustion dynamics / vibrations is achieved by blurring fuel transport times and heat release in the chamber in a novel manner. This unique property can also enable a wider range of fuels to burn without having to modify or replace components.
Finally, the design of the combustor head end and the manner in which the nozzle is integrated into the combustor dome providing an annular dome diffuser which restores pressure while convectively cooling the back of the fume tube dome without the need for introducing a separate source of cooling air Simplicity with functionality ready.
At present, the inventive nozzle has been dimensioned for heavy duty industrial engine GE 9FB;
however, their size can be scaled up or down to work with virtually any annular combustor design (e.g. B. 7H, 9H, 7FB, 7FA, 9FA, 6C, etc. The design could be retrofitted to an existing package, or it could be introduced as a new product offering.
While only certain features of the invention have been described and illustrated herein, numerous modifications and changes will occur to those skilled in the art. It is therefore to be understood that the appended claims are intended to cover all such modifications and changes insofar as they are in accordance with the true spirit of the invention.