DE102012100263A1

DE102012100263A1 - Brennstoffinjektor

Info

Publication number: DE102012100263A1
Application number: DE201210100263
Authority: DE
Inventors: Mark Allan Hadley; Jayaprakash Natarajan; Rajani Kumar Akula; Chetan Babu Velkur
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2012-07-19
Also published as: CN102620317B; JP2012149882A; CN102620317A; FR2970515A1; US8863526B2; FR2970515B1; US20120180491A1; JP5965648B2

Abstract

Es ist ein Brennstoffinjektor geschaffen, der ein erster Rohr, das ein erstes und ein zweites, entgegengesetztes Ende aufweist und das mit Brennstoff versorgt wird, und ein oder mehrere zweite Rohre enthält, die innerhalb des ersten Rohrs angeordnet sind, wobei jedes von dem einen oder den mehreren zweiten Rohren mit Luft versorgt wird und Seitenwände, die Injektionslöcher bilden, durch die der Brennstoff in das eine oder die mehreren zweiten Rohre eintritt, um sich mit der Luft zu vermischen, und ein Auslassende der Seitenwände aufweist, das dem zweiten Ende des ersten Rohrs entspricht.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft einen Brennstoffinjektor zur späten Magerbrennstoffeinspritzung.
In Gasturbinen werden brennbare Stoffe in einer Brennkammer verbrannt, und die energiereichen Fluide, die durch die Verbrennung erzeugt werden, werden über ein Übergangsstück zu einer Turbine geleitet. In der Turbine wirken die energiereichen Fluide aerodynamisch mit Turbinenlaufschaufeln zusammen und treiben die Drehbewegung der Turbinenlaufschaufel an, um Elektrizität zu erzeugen. Die energiereichen Fluide werden anschließend zu weiteren Energieerzeugungssystemen übertragen oder als Emissionen gemeinsam mit bestimmten Schadstoffen, wie beispielsweise Stickoxiden (NOx) und Kohlenmonoxid (CO), ausgestoßen. Diese Schadstoffe werden aufgrund eines nicht optimalen Verbrauchs der brennbaren Stoffe erzeugt.
In letzter Zeit sind Anstrengungen unternommen worden, um einen optimaleren Verbrauch der brennbaren Stoffe zu erreichen, um dadurch die Anteile der Schadstoffe in den Emissionen zu reduzieren. Zu diesen Anstrengungen gehört die Entwicklung einer Brennstoffinjektion, bei der brennbare Stoffe in das Übergangsstück injiziert werden, damit sie sich mit der Hauptströmung des energiereichen Fluids, die durch das Übergangsstück zu der Turbine strömt, vermischen. Dies führt zu erhöhter Temperatur und Energie der energiereichen Fluide und einem optimaleren Verbrauch des Brennstoffs, was entsprechend die Schadstoffemissionen reduziert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffinjektor geschaffen, der ein erstes Rohr, das ein erstes und ein zweites, entgegengesetztes Ende aufweist und das mit Brennstoff versorgt wird, und ein oder mehrere zweite Rohre enthält, die innerhalb des ersten Rohrs angeordnet sind, wobei jedes von dem einen oder den mehreren zweiten Rohren mit Luft versorgt wird und Seitenwände, die Injektionslöcher definieren, durch die der Brennstoff in das eine oder die mehreren zweiten Rohre eintritt, um sich mit der Luft zu vermischen, und ein Auslassende der Seitenwände aufweist, das dem Auslassende des ersten Rohrs entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffinjektor geschaffen, der ein erstes Rohr, das ein erstes und ein entgegengesetztes zweites Ende aufweist und das mit Brennstoff versorgt wird, und mehrere zweite Rohre enthält, die innerhalb des ersten Rohrs angeordnet sind, wobei jedes der mehreren zweiten Rohre mit Luft versorgt wird und Seitenwände, die Injektionslöcher bilden, durch die der Brennstoff in jedes der mehreren zweiten Rohre eintritt, damit er sich mit der Luft vermischt, und eine Auslassendöffnung durch das zweite Ende des ersten Rohrs aufweist, wobei sich eine Anzahl der Injektionslöcher jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre von einer Anzahl der Injektionslöcher wenigstens eines einzelnen anderen der mehreren zweiten Rohre unterscheidet.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Gasturbine geschaffen, die ein Gefäß mit einem Einsatz, der einen Innenraum definiert, durch den ein Hauptströmungspfad von einer stromaufwärtigen Stelle zu einer stromabwärtigen Stelle definiert ist, und einen Brennstoffinjektor enthält, der ein erstes Rohr mit einem ersten und einem zweiten, entgegengesetzten Ende, das mit Brennstoff versorgt wird und mit dem Gefäßeinsatz verbindbar ist, und mehrere zweite Rohre enthält, die innerhalb des ersten Rohres angeordnet sind, wobei jedes der mehreren zweiten Rohre mit Luft versorgt wird und Seitenwände, die Injektionslöcher definieren, durch die der Brennstoff in jedes der mehreren zweiten Rohre eintritt, um sich mit der Luft zu vermischen, und ein Auslassende aufweist, das in den Gefäßinnenraum einmündet, wobei sich eine Anzahl der Injektionslöcher jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre von einer Anzahl der Injektionslöcher wenigstens eines einzelnen anderen der mehreren zweiten Rohre unterscheidet.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offenkundiger.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Das vorstehende sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
1 eine Perspektivansicht eines Brennstoffinjektors;
2 eine vergrößerte Seitenansicht eines zweiten Rohrs des Brennstoffinjektors nach 1; und
3 eine Seitenansicht mehrerer Brennstoffinjektoren, die mit einem Gefäß verbunden sind.
Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam mit Vorteilen und Merkmalen anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die 1–3 ist ein Brennstoffinjektor 10 geschaffen, der ein erstes Rohr 20, das mit Brennstoff versorgt wird, und ein oder mehrere von einer Mehrzahl zweiter Rohre 40 enthält, die mit Luft versorgt werden. Das erste Rohr 20 ist im Wesentlichen zylindrisch mit einem ersten Ende 21 und einem zweiten, entgegengesetzten Ende 22 ausgebildet und ist mit einem Gefäß 60 von zum Beispiel einer Gasturbine verbindbar. Das Gefäß 60 kann ein Einsatz 61 oder ein Übergangsstück sein, der bzw. das zwischen einer Brennkammer und einer Turbine strömungsmäßig eingefügt ist, so dass der Einsatz 61 einen Innenraum 62 definiert, durch den ein Hauptströmungspfad 65 von einem stromaufwärtigen Ende 70 bis zu einem stromabwärtigen Ende 72 definiert ist. Fluide hoher Energie und hoher Temperatur, die durch die Verbrennung innerhalb der Brennkammer erzeugt werden, strömen entlang des Strömungspfads 65, wobei der Brennstoff in den Strömungspfad 65 hinein durch die mehreren zweiten Rohre 40 injiziert wird, um die Leistungserzeugung innerhalb der Turbine zu steigern.
Der Brennstoffinjektor 10 ermöglicht gestufte Verbrennungsprozesse, bei denen ein Anteil des verfügbaren Brennstoffs und der verfügbaren Luft in einer ersten Verbrennungsstufe verbrannt werden und der Brennstoffinjektor 10 Brennstoff und Luft zu einer späteren Verbrennungsstufe oder zu späteren Verbrennungsstufen liefert. In dieser (diesen) späteren Verbrennungsstufe(n) tragen die Produkte aus der Verbrennung der ersten Stufe zu der Verbrennung des Brennstoffs und der Luft bei, die durch den Brennstoffinjektor 10 geliefert werden. Indem die Verbrennungsprodukte der ersten Stufe in der (den) späteren Stufe(n) auf diese Weise wiederverwendet werden, können die Schadstoffemissionsmengen verringert werden. Das Ausmaß dieser Verringerung kann durch Verwendung mehrerer Brennstoffinjektoren 10 verstärkt werden.
Die mehreren zweiten Rohre 40 sind innerhalb des ersten Rohrs 20 angeordnet, so dass die jeweilige Längsachse jedes der mehreren zweiten Rohre 40 zu der Längsachse des ersten Rohrs 20 im Wesentlichen ausgerichtet ist. Somit weist jedes der mehreren zweiten Rohre 40 ein erstes Ende 41, das hinsichtlich der Lage im Wesentlichen dem ersten Ende 21 des ersten Rohrs 20 entspricht, ein Auslassende 42, das hinsichtlich der Lage dem zweiten Ende 22 des ersten Rohrs 20 entspricht, und Seitenwände 45 auf. Das Auslassende 42 ist an einem Ende der Seitenwände 45 angeordnet, das hinsichtlich der Lage dem zweiten Ende 22 des ersten Rohrs 20 entspricht. Die Seitenwände 45 bilden mehrere Injektionslöcher 46, durch die der zu dem ersten Rohr 20 gelieferte Brennstoff zu jedem der mehreren zweiten Rohre 40 übertragen werden kann, um sich mit der Luft zu vermischen, die den mehreren zweiten Rohren 40 zugeführt wird. Das erste und das zweite Ende 21 und 22 des ersten Rohrs 20 sind bis auf Öffnungen, die dem ersten und dem zweiten Ende 41 und 42 jedes der mehreren zweiten Rohre 40 zugeordnet sind, verschlossen. Es kann somit ein Gemisch aus Brennstoff und Luft über die Öffnungen jedes der mehreren zweiten Rohre 40 dem Hauptströmungspfad 65 zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste Rohr 20 mehrfach an der Zahl und an verschiedenen Stellen in Axialrichtung und in Umfangsrichtung um das Gefäß 60 angeordnet sein. In diesem Fall sind die mehreren zweiten Rohre 40 innerhalb jedes einzelnen der mehreren ersten Rohre 20 angeordnet, wie in 3 veranschaulicht.
Eine Anzahl der mehreren Injektionslöcher 46 jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre 40 kann sich von einer Anzahl der mehreren Injektionslöcher 46 wenigstens eines einzelnen anderen der mehreren zweiten Rohre 40 unterscheiden. Insbesondere kann eine Anzahl der mehreren Injektionslöcher 46 jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre 40 entsprechend ihrer Position innerhalb des ersten Rohrs 20 vordefiniert sein. Die Anzahl der mehreren Injektionslöcher 46 jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre 40 kann ebenfalls entsprechend deren Position in Bezug auf wenigstens ein anderes zweites Rohr bzw. andere zweite Rohre 40 vordefiniert sein.
Auf diese Weise kann der Brennstoffinjektor 10 als ein Mikromischer mit Brennstoff/Luft-Verhältnissen für jedes der mehreren zweiten Rohre 40 ausgelegt sein, der in irgendeinem oder jedem zweiten Rohr 40 auf eine Weise, die zur selektiven Erzeugung von Stickoxiden (NOx) angepasst ist, anders ist und der infolge eines Luftbypasses des Mikromischers, wenn dieser deaktiviert ist, für eine höhere Reduktion sorgt. D. h., der Brennstoffinjektor 10 kann ausgelegt sein, um durch Bemessung der Brennstoffmengen pro ausgewählte Zeiteinheit die NOx-Erzeugung zu verringern.
Gemäß Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf 1 kann eine Anzahl der mehreren Injektionslöcher 46 jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre 40 entlang einer Strömungsrichtung längs des Strömungspfades 65 abnehmen und in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung längs des Strömungspfades 65 im Wesentlichen gleichmäßig bleiben. Die Verringerung kann allmählich oder stufenweise sein. D. h., die stromaufwärtigen zweiten Rohre 401 in der Nähe des stromaufwärtigen Endes 70 können die höchste Anzahl von Injektionslöchern 46 aufweisen, während die stromabwärtigen zweiten Rohre 403 in der Nähe des stromabwärtigen Endes 72 die geringste Anzahl von Injektionslöchern 46 aufweisen können und die dazwischen liegenden zweiten Rohre 402 eine mittlere Anzahl von Injektionslöchern 46 aufweisen können. Infolgedessen können die stromaufwärtigen zweiten Rohre 401 ein Brennstoff/Luft-Gemisch zu dem Hauptströmungspfad 65 mit einem relativ hohen oder niedrigen Brennstoff/Luft-Verhältnis liefern, während die stromabwärtigen zweiten Rohre 403 ein Brennstoff/Luft-Gemisch mit einem relativ niedrigen oder hohen Brennstoff/Luft-Verhältnis liefern können und die dazwischen liegenden zweiten Rohre 402 ein Brennstoff/Luft-Gemisch mit einem mittleren, hohen oder niedrigen Brennstoff/Luft-Verhältnis liefern können. Bei dieser Konfiguration wird der Brennstoff, der zu dem Hauptströmungspfad 65 über die stromaufwärtigen zweiten Löcher 40 geliefert wird, die größte Wahrscheinlichkeit dafür haben, dass er sich zu einem radialen zentralen Bereich des Gefäßes 60 hin und in diesen hinein ausbreitet.
Eine Anzahl der dazwischen liegenden zweiten Rohre 402 kann größer oder kleiner als die jeweiligen Anzahlen der stromaufwärtigen zweiten Rohre 401 bzw. der stromabwärtigen zweiten Rohre 403 sein. Somit wird die Anzahl der zweiten Rohre 40, die ein Brennstoff/Luft-Gemisch mit einem mittleren Brennstoff/Luft-Verhältnis liefern, relativ groß sein und eine Verwendung des Brennstoffinjektors 10 mit verschiedenen Arten von Gefäßen und unter verschiedenen Arten von Betriebsbedingungen ermöglichen.
Während die Erfindung in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen im Einzelnen beschrieben worden ist, sollte ohne weiteres verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Veränderungen, Anpassungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Umfang der Erfindung entsprechen. Außerdem ist es zu verstehen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige von den beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Es ist ein Brennstoffinjektor geschaffen, der ein erster Rohr, das ein erstes und ein zweites, entgegengesetztes Ende aufweist und das mit Brennstoff versorgt wird, und ein oder mehrere zweite Rohre enthält, die innerhalb des ersten Rohrs angeordnet sind, wobei jedes von dem einen oder den mehreren zweiten Rohren mit Luft versorgt wird und Seitenwände, die Injektionslöcher bilden, durch die der Brennstoff in das eine oder die mehreren zweiten Rohre eintritt, um sich mit der Luft zu vermischen, und ein Auslassende der Seitenwände aufweist, das dem zweiten Ende des ersten Rohrs entspricht.

Claims

Brennstoffinjektor, der aufweist: ein erstes Rohr, das ein erstes und ein zweites, entgegengesetztes Ende aufweist und das mit Brennstoff versorgt wird; und ein oder mehrere zweite Rohre, die innerhalb des ersten Rohrs angeordnet sind, wobei jedes von dem einen und den mehreren zweiten Rohren mit Luft versorgt wird und aufweist: Seitenwände, die Injektionslöcher bilden, durch die der Brennstoff in das eine oder die mehreren zweiten Rohre eintritt, um sich mit der Luft zu vermischen, und ein Auslassende der Seitenwände, das dem zweiten Ende des ersten Rohrs entspricht.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl der Injektionslöcher des einen oder der mehreren zweiten Rohre entsprechend einer Position des einen oder der mehreren zweiten Rohre innerhalb des ersten Rohrs vordefiniert ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl der Injektionslöcher eines des einen oder der mehreren zweiten Rohre entsprechend einer Position von diesem in Bezug auf ein anderes des einen oder der mehreren zweiten Rohre vordefiniert ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 1, wobei das erste Rohr an seinem zweiten Ende mit einem Gefäß verbindbar ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 4, wobei das erste Rohr an dem ersten und dem zweiten Ende abgesehen von Öffnungen, die mit den jeweiligen Auslassenden des einen oder der mehreren zweiten Rohre im Zusammenhang stehen, verschlossen ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 4, wobei ein Hauptströmungspfad durch das Gefäß hindurchführend von einer stromaufwärtigen Stelle zu einer stromabwärtigen Stelle gebildet ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, wobei das Gefäß ein Übergangsstück aufweist, das zwischen einer Brennkammer und einer Turbine einer Gasturbine strömungsmäßig eingefügt ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, wobei das erste Rohr mehrfach vorhanden ist und jedes der mehreren ersten Rohre ein oder mehrere darin angeordnete zweite Rohre aufweist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, wobei eine Anzahl der Injektionslöcher jedes einzelnen des einen oder der mehreren zweiten Rohre längs einer Strömungsrichtung entlang des Strömungspfades abnimmt.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 9, wobei die Abnahme der Anzahl der Injektionslöcher stufenweise ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 10, wobei eine Anzahl der einzelnen des einen oder der mehreren zweiten Rohre, die eine mittlere Anzahl von Injektionslöchern aufweisen, größer ist als die Anzahl der einzelnen des einen oder der mehreren zweiten Rohre, die eine hohe und niedrige Anzahl von Injektionslöchern aufweisen.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 6, wobei eine Anzahl der Injektionslöcher jedes einzelnen des einen oder der mehreren zweiten Rohre längs einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung entlang des Strömungspfads im Wesentlichen gleichmäßig bleibt.
Brennstoffinjektor, der aufweist: ein erstes Rohr, das ein erstes und ein zweites, entgegengesetztes Ende aufweist und das mit Brennstoff versorgt wird; mehrere zweite Rohre, die innerhalb des ersten Rohrs angeordnet sind, wobei jedes der mehreren zweiten Rohre mit Luft versorgt wird und Seitenwände, die Injektionslöcher bilden, durch die der Brennstoff in jedes der mehreren zweiten Rohre eintritt, um sich mit der Luft zu vermischen, und ein Auslassendöffnung durch das zweite Ende des ersten Rohrs aufweist, wobei sich eine Anzahl der Injektionslöcher jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre von einer Anzahl der Injektionslöcher wenigstens eines anderen einzelnen der mehreren zweiten Rohre unterscheidet.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 13, wobei das erste Rohr an seinem Auslassende mit einem Gefäß verbindbar ist, wobei ein Hauptströmungspfad durch das Gefäß hindurchführend von einer stromaufwärtigen Stelle zu einer stromabwärtigen Stelle gebildet ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 14, wobei eine Anzahl der Injektionslöcher jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre längs einer Strömungsrichtung entlang des Strömungspfads abnimmt.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 15, wobei die Abnahme der Anzahl der Injektionslöcher stufenweise ist.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 16, wobei eine Anzahl der einzelnen der mehreren zweiten Rohre, die eine mittlere Anzahl von Injektionslöchern aufweisen, größer ist als die Anzahlen der einzelnen der mehreren zweiten Rohre, die eine hohe und eineniedrige Anzahl von Injektionslöchern aufweisen.
Brennstoffinjektor nach Anspruch 13, wobei eine Anzahl der Injektionslöcher jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre längs einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung entlang des Strömungspfads im Wesentlichen gleichmäßig bleibt.
Gasturbine, die aufweist: ein Gefäß mit einem Einsatz, der einen Innenraum definiert, durch den ein Hauptströmungspfad von einer stromaufwärtigen Stelle zu einer stromabwärtigen Stelle gebildet ist; und einen Brennstoffinjektor, der ein erstes Rohr, das ein erste und ein zweites, entgegengesetztes Ende aufweist, mit Brennstoff versorgt wird und mit dem Gefäßeinsatz verbindbar ist, und mehrere zweite Rohre enthält, die innerhalb des ersten Rohrs angeordnet sind, wobei jedes der mehreren zweiten Rohre mit Luft versorgt wird und Seitenwände, die Injektionslöcher bilden, durch die der Brennstoff in jedes der mehreren zweiten Rohre eintritt, um sich mit der Luft zu vermischen, und ein Auslassende aufweist, das in den Gefäßinnenraum einmündet, wobei sich eine Anzahl der Injektionslöcher jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre von einer Anzahl der Injektionslöcher wenigstens eines anderen einzelnen der mehreren zweiten Rohre unterscheidet.
Gasturbine nach Anspruch 19, wobei eine Anzahl der Injektionslöcher jedes einzelnen der mehreren zweiten Rohre längs einer Strömungsrichtung entlang des Strömungspfads abnimmt.