DE102010061594A1

DE102010061594A1 - Verbesserung des inneren Strömungspfades einer Vormischbrennstoffdüse

Info

Publication number: DE102010061594A1
Application number: DE102010061594A
Authority: DE
Inventors: Jason Thurman S.C. Stewart; Gregory Earl S.C. Jensen; Mark William S.C. Pinson; Jason Patrick S.C. Tuma; Jagadish Kumar S.C. Peringat
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-07-21
Also published as: JP2011145060A; CN102183020A; US20110173983A1; CH702542A2

Abstract

Eine Düse (28) für eine Gasturbine enthält einen röhrenförmigen Düsenkörper (30) und eine Anzahl von hohlen Brennstoffinjektionszapfen (42), die sich an einer Stelle zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende des röhrenförmigen Düsenkörpers von dem röhrenförmigen Düsenkörper ausgehend radial erstrecken, wobei jeder der mehreren hohlen Brennstoffinjektionszapfen eine tropfenförmige äußere Querschnittsform aufweist und ein Brennstoffkanal (68) in jedem der hohlen Injektionszapfen eine im Wesentlichen dazu passende tropfenförmige innere Querschnittsform aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gasturbinenbrennkammertechnik und insbesondere auf eine Gasturbinen brennstoffdüsenausführung mit einer verbesserten Ausgestaltung innerer Strömungspfade.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einer typischen Gasturbinenbrennkammeranordnung vom „Rohr-Ring”-Typ sind mehrere Brennkammern in einer ringförmigen Reihe um die Turbinenrotorachse herum angeordnet und führen der ersten Stufe der Turbine Verbrennungsgase zu. Ein Verdichter verdichtet Einlassluft, die danach in die Richtung zu der Brennkammer gelenkt (oder umgekehrt) wird, wobei sie zum Kühlen der Heißgaspfadkomponenten und zum Liefern von Luft für den Verbrennungsvorgang verwendet wird. Jede Brennkammeranordnung weist eine allgemein zylindrische Brennkammer (mit einer darin enthaltenen Verbrennungskammer), ein Brennstoffinjektionssystem und ein Übergangselement oder einen Übergangskanal auf, der die Strömung der heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer zu dem Einlass des Turbinenabschnitts leitet. Gasturbinen dieses Typs können typischerweise 6, 10, 14 oder 18 Brennkammern enthalten, die um die Turbinenrotorachse herum angeordnet sind.
Ein spezielles Verbrennungssystem für geringe Stickoxidemissionen (DLN für Dry Low NO_X Emission) enthält ein Brennstoffinjektionssystem für jeder Brennkammer, das aus mehreren Brennstoffdüsen aufgebaut ist, die an einer Endabdeckung gehaltert sind, die das stromaufwärtige Ende der Brennkammer verschließt. Jede Brennstoffdüse weist einen Drallerzeuger und einer radial ausgerichtete Zapfenanordnung stromabwärts von dem Drallerzeuger auf. Der Drallerzeuger und die Zapfenanordnung können ein einstückiges Gussteil oder ein mehrstückiges Gussteil oder eine montierte Anordnung sein, und es sind typischerweise 8 bis 10 Zapfen vorhanden, die sich von dem Düsenkörper weg in Radialrichtung erstrecken. Jeder hohle Zapfen weist eine tropfenförmige äußere Form und eine innere runde Bohrung auf, die mehreren Löchern oder Öffnungen Brennstoff zuführt, durch die hindurch der Brennstoff in die Verbrennungskammer eingeleitet wird. Die radial äußeren Enden der Zapfen sind durch Stopfen bzw. Verschlusskappen verschlossen, die eine oder mehrere der Öffnungen abdecken, was ein zusätlzliches Durchbohren der Stopfen zum erneuten Öffnen der Öffnungen erfordern. Außerdem schaffen die Stopfen eine unerwünschte innere „Stufe” oder Schulter in dem Strömungspfad. Gleichzeitig müssen für bestimmte andere Verbrennungssysteme für wenig NOx größere Brennstoffströme aufgenommen werden, während ein vorbestimmter Brennstoffzufuhrdruck und diese gleichen äußeren Formen und Abmessungen beibehalten werden. Demnach müssen die inneren Kanäle verbessert werden, um größeren Durchsatz aufzunehmen, während die äußere Geometrie im Wesentlichen unverändert beibehalten wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform wird eine Düse für eine Gasturbine geschaffen, wobei die Düse einen röhrenförmigen Düsenkörper und eine Anzahl von hohlen Brennstoffinjektionszapfen aufweist, die sich an einer Stelle zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende des röhrenförmigen Düsenkörpers radial von dem röhreförmigen Düsenkörper ausgehend erstrecken, wobei jeder der mehreren hohlen Brennstoffinjektionszapfen eine tropfenförmige äußere Querschnittsform aufweist und ein Brennstoffkanal in jedem der hohlen Injektionszapfen eine im Wesentlichen dazu passende tropfenförmige innere Querschnittsform aufweist.
In einer anderen beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform wird eine Düse für eine Gasturbine geschaffen, wobei die Düse einen röhrenförmigen Düsenkörper und eine Anzahl von hohlen Brennstoffinjektionszapfen aufweist, die sich an einer Stelle zwischen einem vorderen und einem hinteren Ende des röhrenförmigen Düsenkörpers radial von dem röhrenförmigen Düsenkörper aus erstrecken, eine Anzahl von hohlen Brennstoffinjektionszapfen, die sich an einer Stelle zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende im Wesentlichen senkrecht radial von dem röhrenförmigen Düsenkörper erstrecken, wobei der röhrenförmige Düsenkörper einen Grundflansch aufweist, der an einem vorderen Ende des Düsenkörpers angebracht ist, wobei der Grundflansch mit einer ringförmigen Reihe von länglichen bogenförmigen Brennstoffeinlassschlitzen zum Zuführen von Brennstoff in einen Kanal in dem röhrenförmigen Düsenkörper ausgebildet ist, der eine Verbindung zu den mehreren Brennstoffinjektionszapfen herstellt.
In noch einer weitern beispielhaften, aber nicht beschränken Ausführungsform wird die Düse für eine Gasturbine geschaffen, wobei die Düse einen röhrenförmigen Körper und eine Anzahl von hohlen Brennstoffinjektionszapfen aufweist, die sich an einer Stelle zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende des röhrenförmigen Düsenkörpers radial von dem röhrenförmigen Düsenkörper erstrecken, wobei jeder der mehreren hohlen Brennstoffinjektionszapfen eine radial äußere Endwand aufweist und ein Brennstoffkanal in jedem der hohlen Injektionszapfen eine im Wesentlichen glatte Oberfläche aufweist, die sich ununterbrochen zwischen dem röhrenförmigen Düsenkörper und der radial äußeren Endwand erstreckt.
Die Erfindung wird nun genauer in Verbindung mit den unten genannten Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht durch eine Gasturbinenbrennkammer vom Rohr-Ring-Typ;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Düsenkonstruktion, die in der Brennkammer aus 1 verwendet werden kann;
3 ist eine Schnittansicht einer abgewandelten Düse gemäß einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Befestigungsflansches einer Düsenendabdeckung, der auch als ein „Grundflansch” bezeichnet wird und in einem von der Düse aus 3 abgenommenen Zustand gezeigt ist;
Die 5 und 6 sind perspektivische Ansichten alternativer Ausführungsformen des Grundflansches;
7 ist eine vergrößerte, teilweise perspektivische Ansicht eines Brennstoffinjektionszapfens wie in 3, der im Schnitt dargestellt ist, um eine gerundete Ecke an der radial inneren Kante des Zapfens und einen festen äußeren Spitzenabschnitt gemäß einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung deutlicher zu zeigen;
8 ist eine perspektivische Ansicht, die der 7 im Wesentlichen ähnlich ist, aber einen bisherigen Verschlussstopfen zeigt, der das entfernte Ende des Brennstoffinjektionszapfens verschließt;
9 ist eine vergrößerte Detailansicht, die den Einlass des in 7 gezeigten hohlen Zapfens gemäß einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
10 ist eine perspektivische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Drallerzeugerabschnitts der aus 3 entnommenen Düse.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezug auf 1: Eine Gasturbine 10 weist ein (teilweise gezeigtes) Verdichtergehäuse 12, eine Anzahl von Brennkammern 14 (von denen eine gezeigt ist) und einen Turbineneinlassbereich auf, der hier durch eine einzelne Turbinenleitschaufel 16 wiedergegeben ist. Obwohl es nicht im Einzelnen gezeigt ist, ist die Turbinenbeschaufelung entlang einer gemeinsamen Achse antreibend mit dem Verdichterrotor verbunden. Der Verdichter verdichtet Einlassluft, die umgelenkt und in Gegenrichtung umgekehrt (wie es durch die Strömungspfeile gezeigt ist) zu der Brennkammer 14 geleitet wird, wo sie zum Kühlen der Brennkammer und zum Bereitstellen von Luft für den Verbrennungsvorgang verwendet wird.
Im Einzelnen weist jede Brennkammer 14 ein im Wesentlichen zylindrisches Brennkammergehäuse 18 auf, das z. B. durch Schrauben 22 an dem Turbinengehäuse 20 befestigt ist. Das vordere Ende des Brennkammergehäuses ist durch eine Endabdeckungsanordnung 24 verschlossen, die konventionelle Zufuhrröhren, Verteiler und zugehörige Ventile (die allgemein mit 26 bezeichnet sind) etc. aufweisen kann, um der Verbrennungskammer Gas, flüssigen Brennstoff und Luft (und Wasser, falls es erwünscht ist,) zuzuführen. Die Endabdeckungsanordnung 24 nimmt eine Anzahl von (z. B. fünf) Diffusions-/Vormisch-Brennstoffdüsenanordnungen 28 auf, (von den aus Gründen der Zweckmäßigkeit und Klarheit nur eine gezeigt ist und) die in einer kreisförmigen Reihe um eine Längsachse der Brennkammer herum angeordnet sind.
Nun 2 zugewandt: Die in 1 gezeigte Diffusions/Vormisch-Brennstoffdüsenanordnung 28 weist einen Düsenkörper 30, der mit einem hinteren Zufuhrabschnitt oder Grundflansch 32 verbunden ist, und einen vorderen Brennstoff/Luft-Abgabeabschnitt 34 auf. Die Düsenanordnung weist eine Ummantelung 36 auf, die zwischen der Ummantelung 36 und dem Düsenkörper 30 einen Ringkanal 38 bildet. Innerhalb dieses Ringkanals befinden sich Drallerzeuger-Leitschaufeln 40 für Luft stromaufwärts von einer Anzahl von radialen Brennstoffinjektionsröhren oder -zapfen 42 angeordnet, von denen jeder mit einer Anzahl von Abgabeöffnungen 44 zum Abgeben von Vormischgas in den Ringkanal 38 hinein stromabwärts ausgebildet ist. Die Komponenten 36, 40 und 42 bilden zusammen einen Drallerzeuger, der am Besten als ein einziges Stuck gegossen oder aus diskreten Komponenten zusammengesetzt sein kann. Weitere Einzelheiten, die den Düsenaufbau betreffen, sind in der US 5 685 139 der Anmelderin zu finden.
Jetzt unter Bezug auf 3: Der dargestellte Düsenkörper ist dem in 2 gezeigten ähnlich, weist jedoch innere Abwandlungen auf, wie es unten erläutert ist. Demnach weist der Düsenkörper ein radial äußeres Rohr 46 auf, das ein Zwischenrohr 48 umgibt, wodurch ein radial äußerster Kanal 50 zum Führen eines Vormischbrenngases zu der Vormischzone geschaffen wird, wie es unten weiter beschrieben ist. Der Kanal 50 ist an der vorderen geöffneten Spitze der Düse geschlossen, wodurch das Vormischgas zum Austritt aus den Abgabeöffnungen 44 in den radialen Brennstoffinjektionszapfen 42 in die Vormischzone hinein gezwungen ist.
Auch unter Bezug auf 4: In einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführung schafft die Erfindung ein erstes Gestaltungsmerkmal zur Strömungsverbesserung in einem Düsengrundflansch 52, der ansonsten dem zuvor beschriebenen Grundflansch 32 (3) ähnlich ist. Die zuvor runden Zufuhröffnungen sind jetzt zu bogenförmigen Schlitzzufuhröffnungen 56 umgestaltet worden, um die wirksame Fläche des Strömungspfades in den Kanal 50 hinein zu vergrößern, der Brennstoff an die radial ausgerichteten Brennstoffinjektionszapfen 42 liefert, und den lokalen Druckverlust zu verringern. Die bogenförmige Ausdehnung und der Umfangsrichtungsabstand der umgestalteten Zufuhröffnungen 56 kann variiert werden, wie es zum Erfüllen spezieller Anforderungen erforderlich ist.
Die 5 und 6 stellen alternative Grundflanschausführungen dar, die so ausgestaltet sind, dass sie die wirksame Querschnittsfläche des Brennstoffströmungspfades in den Kanal 50 hinein vergrößern. In 5 ist z. B. die bisherige Anordnung mit einer einzigen Zufuhröffnung durch einzelne Gruppen von gering beabstandeten Brennstofföffnungen ersetzt worden, die allgemein mit 60 bezeichnet sind. In 6 sind die Zufuhröffnungen sogar noch geringer mit überlappenden Durchmessern beabstandet, so dass sie tatsächlich längliche Schlitze bilden, die allgemein mit 64 bezeichnet sind.
Die 7, 9 und 10 stellen im Einzelnen die zusätzlichen Merkmale zur Strömungsverbesserung im Bezug auf die Aspekte der inneren Ausgestaltung der radialen Brennstoffinjektionsröhren oder -zapfen 42 und den Übergang zu der radial äußeren Röhre 46 des Düsenkörpers 30 dar. In der neu gestalteten Ausführungsform schließt sich jeder radiale Brennstoffinjektionszapfen 42 an einem abgerundeten Einlass 66 an die radial äußere Röhre 46 an. Vorzugsweise ist der abgerundete Einlass durch einen Radius in einem Bereich von etwa 1,5 mm (0,06 Zoll) und etwa 4,8 mm (0,19 Zoll) gegeben. Die bisherige Umlenkung um im Wesentlichen 90° in den hohlen Zapfen hinein verursachte einen zusätzlichen Druckverlust, und der abgerundete Eintritt wird ermöglicht, um die Umlenkung zu glätten und den Druckverlust zu verringern.
Weiterhin waren die radialen Öffnungen in den bisherigen, außen tropfenförmigen Brennstoffinjektorzapfen 42 rund und in der breiteren oder vorderen Kante der tropfenförmigen Zapfen angeordnet. Bei dem neu gestalteten Zapfen ist der innere radiale Kanal 68 an die äußere Tropfenform angepasst, wodurch das innere Volumen des Zapfens vergrößert und tatsächlich eine Kammer für eine genauere optimale Speisung der mehreren Injektionsöffnungen 70 in dem Zapfen geschaffen wird.
Gleichzeitig ermöglicht das Vergrößern des inneren Volumens des Kanals 68 während des Gießens oder eines anderen Herstellungsverfahrens, das zum Herstellen des Drallerzeugers (36, 40, 42) angewandt wird, die Schaffung einer inneren Spitzen- oder Endwand 72, wodurch eine gewöhnlich anzutreffende Stufe oder Schulter 74 in dem (integriert ausgebildeten oder hinzugefügten) Stopfen 76, der zum Verschließen des entfernten Endes des Brennstoffinjektionszapfens 78 (siehe 8) verwendet wird, vermieden wird. Dies beseitigt auch das Erfordernis, ein Loch durch den Stopfen hindurchzubohren, um die ansonsten blockierten Injektionsöffnungen zu öffnen. Der tropfenförmige innere radiale Kanal 68 weist nun eine glatte, kontinuierliche und gleichmäßige Querschnittsform auf, die sich durch die Röhre 46 zu der Endwand 72 erstreckt. Es wird erkannt, dass die Endwand 72 auch eine getrennte Kappe sein kann, die mit dem Zapfen entweder verschweißt oder hartverlötet ist, wobei der innere Querschnitt des Kanals 68 aber jedenfalls nicht gestört wird.
Die oben beschriebenen Strömungsverbesserungen ermöglichen es der Düse, mit minimalen Abwandlungen höhere Durchsätze zu beherrschen, minimieren unerwünschte Druckverluste und ermöglichen eine Optimierung des Brennstoffinjektionsprofils.
Während die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als die praktischste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, muss erkannt werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass es im Gegenteil beabsichtigt ist, vielfältige Abwandlungen und äquivalente Anordnungen einzuschließen, die von dem Geist und Bereich der beigefügten Ansprüche umfasst sind.
Eine Düse 28 für eine Gasturbine enthält einen röhrenförmigen Düsenkörper 30 und eine Anzahl von hohlen Brennstoffinjektionszapfen 42, die sich an einer Stelle zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende des röhrenförmigen Düsenkörpers von dem röhrenförmigen Düsenkörper ausgehend radial erstrecken, wobei jeder der mehreren hohlen Brennstoffinjektionszapfen eine tropfenförmige äußere Querschnittsform aufweist und ein Brennstoffkanal 68 in jedem der hohlen Injektionszapfen eine im Wesentlichen dazu passende tropfenförmige innere Querschnittsform aufweist.
Bezugszeichenliste

28: Düse
30: Düsenkörper
32: Grundflansch
34: Zufuhrabschnitt
36: Röhrenförmiger Düsenkörper
42: Brennstoffinjektionszapfen
46: Äußere Röhre
48: Zwischenröhre
50: Kanal
52: Grundflansch
56: Einlassschlitz
66: Innerer Übergang
68: Brennstoffkanal
72: Endwand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5685139 [0019]

Claims

Düse (28) für eine Gasturbine, wobei die Düse aufweist: einen röhrenförmigen Düsenkörper (30), und eine Anzahl von hohlen Brennstoffinjektionszapfen (42), die sich an einer Stelle zwischen einem vorderen Ende und einem hinteren Ende des röhrenförmigen Düsenkörpers radial von dem röhrenförmigen Düsenkörper erstrecken, wobei jeder der mehreren hohlen Brennstoffinjektionszapfen (42) eine tropfenförmige äußere Querschnittsform aufweist und ein Brennstoffkanal (68) in jedem der hohlen Injektionszapfen eine im Wesentlichen dazu passende tropfenförmige innere Querschnittsform aufweist.
Düse nach Anspruch 1, bei der der röhrenförmige Düsenkörper (30) einen Grundflansch (52) aufweist, der an einem vorderen Ende des Düsenkörpers angebracht ist, wobei der Grundflansch mit einer ringförmigen Reihe von länglichen bogenförmigen Brennstoffeinlassschlitzen (56) ausgebildet ist, um einem Kanal (50), der eine Verbindung zu den mehreren Brennstoffinjektionszapfen (42) herstellt, in dem röhrenförmigen Düsenkörper Brennstoff zuzuführen.
Düse nach Anspruch 1, bei der radial äußere Enden der mehreren Brennstoffinjektionszapfen (42) jeweils durch eine Kernkappe mit einer Endwand (72) verschlossen sind, wobei sich die tropfenförmige innere Querschnittsform kontinuierlich zwischen dem röhrenförmigen Düsenkörper und der Endwand erstreckt und weiterhin eine innere Übergangsfläche (66) zwischen jedem einzelnen der mehreren hohlen Brennstoffinjektionszapfen und dem röhrenförmigen Düsenkörper abgerundet ist.
Düse nach Anspruch 3, bei der die innere Übergangsfläche (66) mit einem Radius zwischen etwa 1,5 mm (0,06 Zoll) und 4,8 mm (049 Zoll) abgerundet ist.
Düse nach Anspruch 2, bei der radial äußere Enden der mehreren Brennstoffinjektionszapfen (42) jeweils durch eine Kappe mit einer Endwand (72) verschlossen sind, wobei sich die tropfenförmige innere Querschnittsform kontinuierlich zwischen dem röhrenförmigen Düsenkörper (30) und der Endwand (72) erstreckt und weiterhin eine innere Übergangsfläche (66) zwischen jedem der mehreren hohlen Brennstoffinjektionszapfen und dem röhrenförmigen Düsenkörper abgerundet ist.
Düse nach Anspruch 5, bei der die innere Übergangsfläche (66) mit einem Radius zwischen etwa 1,5 mm (0,06 Zoll) und 4,8 mm (0,19 Zoll) abgerundet ist.
Düse nach Anspruch 2, bei der der Kanal (50) durch einen radialen Raum zwischen einer ersten radial äußeren Röhre (46) des röhrenförmigen Düsenkörpers und einer zweiten Zwischenröhre (48), die konzentrisch innerhalb des röhrenförmigen Düsenkörpers angeordnet ist, gebildet ist.
Düse (28) nach Anspruch 3, bei der die Kernkappe (72) mit dem hohlen Brennstoffinjektionszapfen (42) einstückig ausgebildet ist.
Düse (28) für eine Gasturbine, wobei die Düse einen röhrenförmigen Düsenkörper (36) und eine Anzahl von hohlen Brennstoffinjektionszapfen (42) aufweist, die sich an einer Stelle zwischen einem vorderen und einem hinteren Ende des röhrenförmigen Düsenkörpers radial von dem röhrenförmigen Düsenkörper erstrecken, wobei der röhrenförmige Düsenkörper einen Grundflansch (52) aufweist, der an einem vorderen Ende des röhrenförmigen Düsenkörpers angebracht ist, wobei der Flansch mit einer ringförmigen Reihe von verlängerten bogenförmigen Brennstoffeinlassschlitzen (56) ausgebildet ist, um einem Kanal in dem röhrenförmigen Düsenkörper, der eine Verbindung zu den mehreren Brennstoffinjektionszapfen herstellt, Brennstoff zuzuführen.
Düse nach Anspruch 9, bei der jeder der hohlen Brennstoffinjektionszapfen eine tropfenförmige innere Querschnittsform aufweist, wobei radial äußere Enden der mehreren Brennstoffinjektionszapfen jeweils durch eine Endwand (72) verschlossen sind und sich die tropfenförmige innere Querschnittsform kontinuierlich zwischen dem röhrenförmigen Düsenkörper und der Endwand erstreckt.