DE102018113825A1

DE102018113825A1 - Flüssigbrennstoffpatroneneinheit für eine Gasturbinenbrennkammer und Montageverfahren

Info

Publication number: DE102018113825A1
Application number: DE102018113825.3A
Authority: DE
Inventors: Timothy James Purcell; Ronald James Chila; Lucas John Stoia
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2018-12-20
Also published as: US10578306B2; JP7154829B2; US20180363907A1; JP2019023466A

Abstract

Eine Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff für eine Gasturbinenbrennkammer enthält eine Patronenspitze mit einer hinteren Platte und einer Seitenwand, die die hintere Platte umgibt. Erste Injektionsöffnungen sind durch die Seitenwand hindurch definiert, und zweite Injektionsöffnungen sind durch die Seitenwand hindurch stromaufwärts von den ersten Injektionsöffnungen in Bezug auf die Brennstoffströmung durch die Patronenspitze definiert. Verschachtelte Leitungen erstrecken sich in die Patronenspitze hinein, wobei die konzentrischen Leitungen dazwischen jeweilige Strömungsdurchgänge definieren. Die ersten Injektionsöffnungen stehen mit einem ersten Strömungsdurchgang in Fluidverbindung, und die zweiten Injektionsöffnungen stehen mit einem zweiten Strömungsdurchgang in Fluidverbindung. Ein Verfahren zur Montage der Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff wird ebenfalls bereitgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Gasturbinenbrennkammern und insbesondere eine Flüssigbrennstoff-Patroneneinheit zur Einleitung eines flüssigen Brennstoffs in eine Gasturbinenbrennkammer sowie ein Verfahren zur Montage der Flüssigbrennstoff-Patroneneinheit.
HINTERGRUND
Eine Gasturbine enthält allgemein einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt mit einer Brennkammer und einen Turbinenabschnitt. Der Verdichterabschnitt erhöht zunehmend den Druck des Arbeitsfluids, um ein verdichtetes Arbeitsfluid zu dem Verbrennungsabschnitt zu liefern. Das verdichtete Arbeitsfluid wird durch eine oder mehrere Brennstoffdüsen geleitet, die sich in Axialrichtung innerhalb eines vorderen Endes oder Kopfendes der Brennkammer erstrecken. Ein Brennstoff wird mit der Strömung des verdichteten Arbeitsfluids vermischt, um ein brennbares Gemisch zu bilden. Das brennbare Gemisch wird in einem Brennraum verbrannt, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur, einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Der Brennraum ist durch ein(e) oder mehrere Flammrohre bzw. Auskleidungen oder Kanäle definiert, die einen Heißgaspfad definieren, durch den die Verbrennungsgase zu dem Turbinenabschnitt befördert werden. In einem Ringrohr-Verbrennungssystem erzeugen mehrere Verbrennungsrohre (die jeweils ihre eigene(n) Brennstoffdüse(n) und ihr eigenes Flammrohr aufweisen) Verbrennungsgase, die den Turbinenabschnitt antreiben.
Die Verbrennungsgase expandieren, während sie durch den Turbinenabschnitt strömen, um Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel kann eine Expansion der Verbrennungsgase in dem Turbinenabschnitt eine Welle in Drehung versetzen, die mit einem Generator verbunden ist, um Elektrizität zu erzeugen. Die Turbine kann auch den Verdichter mittels einer gemeinsamen Welle oder eines gemeinsamen Rotors antreiben.
In dem Verbrennungsabschnitt können die Brennstoffdüsen nur mit gasförmigem Brennstoff, nur mit flüssigem Brennstoff oder gleichzeitig mit gasförmigem Brennstoff und flüssigem Brennstoff arbeiten. In vielen Fällen kann eine Energieerzeugungsanlage lange Zeiträume erfahren, in denen es erforderlich ist, sie nur mit flüssigem Brennstoff zu betreiben.
Eine üblicherweise mit dem Flüssigbrennstoffbetrieb verbundene Herausforderung ist die Neigung des flüssigen Brennstoffs, innerhalb der Brennstoffdüse bei Temperaturen, die nur mäßig über Umgebungstemperaturen erhöht sind und deutlich unterhalb der Flammentemperatur innerhalb des Brennraums liegen, zu verkoken. Eine weitere Herausforderung bei Flüssigbrennstoffdüsen ist die Konstruktion der Injektionsöffnungen für flüssigen Brennstoff, um ein gleichförmiges Sprühmuster zu erzeugen, so dass der flüssige Brennstoff schnell zerstäubt und verbrannt wird. Eine damit verbundene Herausforderung ist die richtige Platzierung der Brennstoffdüse innerhalb des Kopfendes der Brennkammer, um den flüssigen Brennstoffsprühnebel daran zu hindern, das Brennkammerflammrohr zu erreichen, wo ein Verkoken stattfinden und zu thermischer Belastung führen kann. Außerdem beruhen die meisten Flüssigbrennstoffdüsen auf einem einzigen Flüssigbrennstoffkreislauf, der eine begrenzte Flexibilität in dem Betrieb der Flüssigbrennstoffdüse bietet. Schließlich muss die Spitze der Flüssigbrennstoffpatrone gekühlt werden, um thermische Belastungen zu mildern.
Folglich wird in der Industrie eine verbesserte Flüssigbrennstoffpatrone zur Zuführung eines flüssigen Brennstoffs zu einem Brennraum benötigt.
KURZBESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff für eine Gasturbinenbrennkammer. Die Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff enthält eine Patronenspitze, die eine hintere Platte und eine Seitenwand aufweist, die die hintere Platte umgibt. Mehrere erste Injektionsöffnungen sind durch die Seitenwand hindurch definiert, und mehrere zweite Injektionsöffnungen sind durch die Seitenwand hindurch in einer anderen axialen Ebene als die mehreren ersten Injektionsöffnungen, vorzugsweise stromaufwärts von diesen in Bezug auf eine Strömung des Brennstoffs durch die Patronenspitze definiert. Mehrere verschachtelte, vorzugsweise konzentrische Leitungen erstrecken sich in die Patronenspitze hinein, wobei die mehreren verschachtelten Leitungen dazwischen jeweilige Strömungsdurchgänge definieren. Die mehreren ersten Injektionsöffnungen stehen in Fluidverbindung mit einem ersten Strömungsdurchgang, und die mehreren zweiten Injektionsöffnungen stehen in Fluidverbindung mit einem zweiten Strömungsdurchgang.
In der zuvor erwähnten Patroneneinheit können die mehreren ersten Injektionsöffnungen weniger Injektionsöffnungen als die mehreren zweiten Injektionsöffnungen aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann jede Injektionsöffnung der mehreren ersten Injektionsöffnungen eine erste Größe aufweisen, wobei jede Injektionsöffnung der mehreren zweiten Injektionsöffnungen eine zweite Größe aufweisen kann und wobei sich die erste Größe von der zweiten Größe unterscheiden kann.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Patroneneinheit können die mehreren verschachtelten Leitungen eine erste Leitung, die den ersten Strömungsdurchgang definiert, und eine zweite Leitung aufweisen, die die erste Leitung umgibt, wobei der zweite Strömungsdurchgang zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung definiert ist.
Zusätzlich können die erste Leitung und die zweite Leitung jeweils mit einem ersten Zufuhrrohr bzw. einem zweiten Zufuhrrohr verbunden sein, wobei das erste Zufuhrrohr und das zweite Zufuhrrohr verschachtelt sein und sich stromaufwärts von der Patronenspitze erstrecken können.
Weiter zusätzlich kann der erste Strömungsdurchgang über das erste Zufuhrrohr mit einer Pilotbrennstoffquelle in Strömungsverbindung stehen, und der zweite Strömungsdurchgang kann über das zweite Zufuhrrohr mit einer Quelle für flüssigen Brennstoff in Strömungsverbindung stehen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Patroneneinheit können die mehreren verschachtelten Leitungen eine dritte Leitung enthalten, die die zweite Leitung derart umgibt, dass ein dritter Strömungsdurchgang zwischen der zweiten Leitung und der dritten Leitung definiert ist, wobei mehrere dritte Injektionsöffnungen durch die Seitenwand hindurch in einer anderen axialen Ebene als die mehreren ersten Injektionsöffnungen und die mehreren zweiten Injektionsöffnungen definiert sein können, wobei die mehreren dritten Injektionsöffnungen mit dem dritten Strömungsdurchgang in Strömungsverbindung stehen.
In den zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen können die mehreren zweiten Injektionsöffnungen und die mehreren dritten Injektionsöffnungen in gleicher Anzahl vorhanden sein.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann jede Injektionsöffnung der mehreren dritten Injektionsöffnungen eine dritte Größe aufweisen, wobei sich die dritte Größe von entweder der ersten Größe und/oder der zweiten Größe unterscheiden kann.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann die dritte Leitung mit einem dritten Zufuhrrohr verbunden sein, wobei das dritte Zufuhrrohr das zweite Zufuhrrohr umgibt und mit einer Flüssigbrennstoffversorgung in Strömungsverbindung steht.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Patroneneinheit können die mehreren verschachtelten Leitungen eine Luftströmungsleitung enthalten, die die zweite Leitung umgibt, so dass ein Luftströmungsdurchgang zwischen der zweiten Leitung und der Luftströmungsleitung definiert ist, wobei die Luftströmungsleitung mit einem Luftströmungszufuhrrohr verbunden sein kann, das mit einer Druckluftversorgung in Strömungsverbindung steht.
Zusätzlich kann die hintere Platte durch sie hindurch mehrere Durchlassöffnungen in Strömungsverbindung mit dem durch die Luftströmungsleitung definierten Luftströmungsdurchgang definieren.
Weiter zusätzlich oder als eine Alternative kann wenigstens eine Injektionsöffnung der mehreren ersten Injektionsöffnungen und der mehreren zweiten Injektionsöffnungen von einer Entlüftungsöffnung umgeben sein, wobei die Entlüftungsöffnung in Strömungsverbindung mit dem durch die Luftströmungsleitung definierten Luftströmungsdurchgang steht.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Montage einer Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff für eine Brennkammer geschaffen. Das Verfahren enthält ein Bereitstellen einer Patronenspitze für flüssigen Brennstoff, die mehrere verschachtelte, vorzugsweise konzentrische Leitungen aufweist, die sich axial stromaufwärts von ihr erstrecken. Das Verfahren enthält ferner: Verbinden eines stromabwärtigen Endes eines ersten Zufuhrrohrs mit einer ersten Leitung der mehreren Leitungen; Verbinden eines stromabwärtigen Endes eines zweiten Zufuhrrohrs mit einer zweiten Leitung der mehreren Leitungen, so dass das zweite Zufuhrrohr das erste Zufuhrrohr umgibt; und Verbinden eines stromabwärtigen Endes eines dritten Zufuhrrohrs mit einer dritten Leitung der mehreren Leitungen, so dass das dritte Zufuhrrohr das zweite Zufuhrrohr umgibt, um dadurch eine konzentrische Rohranordnung zu bilden. Das Verfahren enthält ferner: Biegen der konzentrischen Rohranordnung um eine Form an einer Biegestelle stromaufwärts von der Patronenspitze; und Verbinden eines stromaufwärtigen Endes jedes von dem ersten Zufuhrrohr, dem zweiten Zufuhrrohr und dem dritten Zufuhrrohr mit einer zentralen Fluidsammelrohreinrichtung. Das erste Zufuhrrohr, das zweite Zufuhrrohr und das dritte Zufuhrrohr werden lediglich durch die Patronenspitze und die zentrale Fluidsammelrohreinrichtung getragen.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann das Verbinden der stromabwärtigen Enden der Zufuhrrohre mit jeweiligen Leitungen durch Schweißen oder Hartlöten bewerkstelligt werden, und das Verbinden der stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre mit der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung kann durch Schweißen oder Hartlöten bewerkstelligt werden.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Biegestelle sich in der Nähe der stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre befinden.
Jedes beliebige vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner ein Füllen des ersten Zufuhrrohrs, des zweiten Zufuhrrohrs und des dritten Zufuhrrohrs mit einem entfernbaren Material vor dem Biegen der konzentrischen Rohranordnung aufweisen.
Zusätzlich kann das Verfahren ferner ein Entfernen des entfernbaren Materials nach dem Biegen der konzentrischen Rohranordnung aufweisen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen kann jedes beliebige vorstehend erwähnte Verfahren ferner ein Ausstatten der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung mit einem ersten Fluideinlass in Strömungsverbindung mit dem ersten Zufuhrrohr, einem zweiten Fluideinlass in Strömungsverbindung mit dem zweiten Zufuhrrohr und einem dritten Fluideinlass in Strömungsverbindung mit dem dritten Zufuhrrohr aufweisen, wobei der erste Fluideinlass stromaufwärts von dem zweiten Fluideinlass angeordnet sein kann und wobei der zweite Fluideinlass stromaufwärts von dem dritten Fluideinlass angeordnet sein kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen kann jedes beliebige vorstehend erwähnte Verfahren ferner ein Verbinden eines stromabwärtigen Endes eines vierten Zufuhrrohrs mit einer vierten Leitung aufweisen, wobei das vierte Zufuhrrohr das dritte Zufuhrrohr umgibt, wobei das vierte Zufuhrrohr mit einem vierten Fluideinlass in Strömungsverbindung stehen kann, der in einem Montageflansch vorgesehen ist, der stromabwärts der Biegestelle angeordnet ist.
Figurenliste
Eine umfassende und befähigende Offenbarung der vorliegenden Produkte und Verfahren, einschließlich deren bester Ausführungsart, die sich an einen Durchschnittsfachmann richtet, ist in der Beschreibung dargelegt, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanordnung, die einen oder mehrere Brennstoffinjektoren verwenden kann, wie sie hierin beschrieben sind;
2 eine Querschnittsansicht einer Brennkammer, die in der Gasturbinenanordnung nach 1 verwendet werden kann;
3 eine Perspektivansicht einer Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff, wie sie in der Brennkammer nach 2 verwendet werden kann;
4 eine Querschnittsansicht eines stromabwärtigen Abschnitts der Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff nach 3, aufgenommen entlang der Schnittlinie 4-4;
5 eine Querschnittsansicht der Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff nach 3, aufgenommen entlang einer axialen Ebene 5-5 der Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff zwischen einer Patronenspitze und einer zentralen Fluidsammelrohreinrichtung;
6 eine vergrößerte Perspektivansicht der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung der Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff nach 3;
7 eine Seitenansicht der Patronenspitze der Patrone für flüssigen Brennstoff nach 3;
8 eine quergeschnittene Seitenansicht der Patronenspitze nach 7.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung veranschaulicht eine Gasturbinenbrennkammer, eine Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff zur Zuführung eines flüssigen Brennstoffs zu der Gasturbinenbrennkammer sowie ein Verfahren zur Montage einer Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff für eine Gasturbinenbrennkammer als ein Beispiel und nicht zur Beschränkung. Die Beschreibung befähigt einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, die Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff herzustellen und zu verwenden. Die Beschreibung enthält das, was derzeit als die beste Ausführungsart zur Schaffung und Verwendung der vorliegenden Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff angenommen wird. Eine beispielhafte Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff ist hierin beschrieben, wie sie mit einer Brennkammer einer Hochleistungs-Gasturbinenanordnung gekoppelt ist, die zur elektrischen Energieerzeugung verwendet wird. Jedoch ist es vorgesehen, das die Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff, wie sie hierin beschrieben ist, eine allgemeine Anwendung auf einen weiten Bereich von Systemen in vielfältigen Gebieten außer der elektrischen Energieerzeugung haben kann.
In dem hierin verwendeten Sinne können die Ausdrücke „erste“, „zweite“ und „dritte“ gegeneinander austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden, und sie sollen keine Lage oder Wichtigkeit der einzelnen Komponenten angeben. Die Ausdrücke „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ beziehen sich auf die relative Richtung in Bezug auf die Fluidströmung in einem Fluidpfad. Zum Beispiel bezieht sich „stromaufwärts“ auf die Richtung, von der aus das Fluid strömt, und „stromabwärts“ bezieht sich auf die Richtung, zu der das Fluid strömt.
Der Ausdruck „radial“ bzw. „in Radialrichtung“ bezieht sich auf die relative Richtung, die zu einer axialen Mittellinie einer bestimmten Komponente im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist, und der Ausdruck „vorwiegend radial“ bezieht sich auf die relative Richtung einer Strömung, die zu der Mittellinie einer bestimmten Komponente schräg oder quer ausgerichtet ist. Der Ausdruck „axial“ bzw. „in Axialrichtung“ bezieht sich auf die relative Richtung, die zu einer axialen Mittellinie einer bestimmten Komponente im Wesentlichen parallel verläuft. In dem hierin verwendeten Sinne bezieht sich der Ausdruck „Radius“ (oder eine beliebige Variante von diesem) auf eine Dimension, die sich von einer Mitte irgendeiner geeigneten Gestalt (z.B. eines Quadrates, eines Rechtecks, eines Dreiecks, usw.) aus nach außen streckt, und er ist nicht auf eine Dimension beschränkt, die sich von einer Mitte einer kreisförmigen Gestalt nach außen erstreckt. Ebenso, und wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Umfang“ (oder eine beliebige Variante von diesem) auf eine Dimension, die sich um eine Mitte irgendeiner geeigneten Gestalt (z.B. eines Quadrates, eines Rechtecks, eines Dreiecks, usw.) herum erstreckt, und er ist nicht auf eine Dimension beschränkt, die sich um eine Mitte einer kreisförmigen Gestalt herum erstreckt.
Jedes Beispiel ist zur Erläuterung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sein, dass Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff vorgenommen werden können, ohne dass von dem Schutzumfang oder Geist der vorliegenden Offenbarung abgewichen wird. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Offenbarung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst, wie sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen. Obwohl beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff und Verfahren für die Zwecke der Veranschaulichung allgemein in dem Zusammenhang mit einer Brennkammer, die in einer Gasturbine integriert ist, beschrieben sind, wird ein Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf eine beliebige Brennkammer angewandt werden können, die in einer beliebigen Turbomaschine integriert ist, und nicht auf eine Gasturbinenbrennkammer beschränkt sind, sofern dies nicht speziell in den Ansprüchen angegeben ist.
Es wird nun im Einzelnen auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff und des vorliegenden Verfahrens Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Bezeichnungen durch Zahlen und Buchstaben, um auf Merkmale in den Zeichnungen Bezug zu nehmen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen.
1 zeigt ein Funktionsblockschaltbild einer beispielhaften Gasturbine 10, die verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten kann. Wie veranschaulicht, enthält die Gasturbine 10 einen Einlassabschnitt 12, der eine Reihe von Filtern, Kühlschlangen, Feuchtigkeitsabscheidern und/oder anderen Vorrichtungen zur Reinigung oder sonstigen Konditionierung eines Arbeitsfluids (z.B. Luft) 14, das in die Gasturbine eintritt, enthalten kann. Das Arbeitsfluid 14 strömt zu einem Verdichterabschnitt, in dem ein Verdichter 16 dem Arbeitsfluid 14 zunehmend kinetische Energie verleiht, um ein verdichtetes Arbeitsfluid 18 zu erzeugen.
Das verdichtete Arbeitsfluid 18 wird mit einem gasförmigen Brennstoff 20 aus einem Zuführsystem für gasförmigen Brennstoff und/oder einem flüssigen Brennstoff 21 aus einem Zuführsystem für flüssigen Brennstoff vermischt, um ein brennbares Gemisch innerhalb einer oder mehrerer Brennkammern 24 zu bilden. Das brennbare Gemisch wird verbrannt, um Verbrennungsgase 26 zu erzeugen, die eine hohe Temperatur, einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Die Verbrennungsgase 26 strömen durch eine Turbine 28 eines Turbinenabschnitts, um Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel kann die Turbine 28 mit einer Welle 30 verbunden sein, so dass eine Drehung der Turbine 28 den Verdichter 16 antreibt, um das verdichtete Arbeitsfluid 18 zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Welle 30 die Turbine 28 mit einem Generator 32 zur Erzeugung von Elektrizität verbinden. Abgase 34 aus der Turbine 28 strömen durch einen (nicht veranschaulichten) Auslassabschnitt, der die Turbine 28 mit einem Auslassschacht stromabwärts von der Turbine verbindet. Der Auslassabschnitt kann z.B. einen (nicht veranschaulichten) Abhitzedampferzeuger zur Reinigung der Abgase und zur Extraktion zusätzlicher Wärme aus den Abgasen 34 vor der Freisetzung in die Umgebung enthalten.
Die Brennkammern 24 können von einer beliebigen in der Technik bekannten Bauart einer Brennkammer sein, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine bestimmte Brennkammerkonstruktion beschränkt, sofern dies nicht speziell in den Ansprüchen angegeben ist. Zum Beispiel kann die Brennkammer 24 eine Rohrbrennkammer (die manchmal als Ringrohrbrennkammer bezeichnet wird) sein.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsrohrs 24, wie es in einem Ringrohr-Verbrennungssystem für die Hochleistungs-Gasturbine 10 enthalten sein kann. In einem Ringrohr-Verbrennungssystem sind mehrere Verbrennungsrohre 24 (z.B. 8, 10, 12, 14, 16 oder mehr) in einer kreisringförmigen Anordnung um die Welle 30 herum positioniert, die den Verdichter 16 mit der Turbine 28 verbindet.
Wie in 2 veranschaulicht, enthält das Verbrennungsrohr 24 ein Flammrohr bzw. eine Auskleidung 112, das bzw. die Verbrennungsgase 26 enthält und zu der Turbine befördert. Das Flammrohr 112 definiert einen Brennraum, in dem eine Verbrennung erfolgt. Das Flammrohr 112 kann einen zylindrischen Flammrohrabschnitt und einen verjüngten Übergangsabschnitt aufweisen, der, wie in vielen herkömmlichen Verbrennungssystemen, von dem zylindrischen Flammrohrabschnitt gesondert ist. Alternativ kann das Flammrohr 112 die Konstruktion eines einheitlichen Körpers (oder „Unibody“) aufweisen, in der der zylindrische Abschnitt und der verjüngte Abschnitt miteinander integriert sind. Somit soll jede Beschreibung des Flammrohrs 112 hierin sowohl herkömmliche Verbrennungssysteme mit einem gesonderten Flammrohr und einem Übergangsstück als auch diejenigen Verbrennungssysteme mit einem Unibody-Flammrohr umfassen. Darüber hinaus ist die vorliegende Offenbarung in gleicher Weise auf diejenigen Verbrennungssysteme anwendbar, in denen das Übergangsstück und der Leitapparat der ersten Stufe der Turbine zu einer einzigen Einheit integriert sind, die manchmal auch als „Übergangsdüse“ bzw. „Übergangsleitapparat“ oder als ein „integriertes Austrittsteil“ bezeichnet wird.
Das Flammrohr 112 kann von einer äußeren Hülse 114 umgeben sein, die in Radialrichtung nach außen von dem Flammrohr 112 beabstandet ist, um einen Ringraum 132 zwischen dem Flammrohr 112 und der Außenhülse 114 zu definieren. Die Außenhülse 114 kann einen Strömungshülsenabschnitt an dem vorderen Ende und einen Prallhülsenabschnitt an dem hinteren Ende, wie bei vielen herkömmlichen Verbrennungssystemen, enthalten. Alternativ kann die Außenhülse 114 die Konstruktion eines einheitlichen Körpers (oder „Unisleeve“) aufweisen, in der der Strömungshülsenabschnitt und der Prallhülsenabschnitt in der axialen Richtung miteinander integriert sind. Wie zuvor soll jegliche Erörterung der Außenhülse 114 hierin sowohl herkömmliche Verbrennungssysteme mit einer gesonderten Strömungshülse und Prallhülse als auch Verbrennungssysteme mit einer Unisleeve-Außenhülse umfassen.
Ein Kopfendabschnitt 120 des Verbrennungsrohrs 24 enthält eine oder mehrere Brennstoffdüsen 200. Die Brennstoffdüsen 200, wie veranschaulicht, können als Bündelrohr-Brennstoffdüsen beschrieben sein. Jede Brennstoffdüse 200 enthält ein sich in eine Axialrichtung erstreckendes Gehäuse 202, das mehrere Mischrohre 210 umgibt, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Jedes Rohr 210 weist ein Einlassende, ein Auslassende und eine oder mehrere Brennstoffinjektionsöffnungen 212 auf, die zwischen dem Einlassende und dem Auslassende durch die Rohrwand hindurch definiert sind.
Das Gehäuse 202 ist mit einer stromaufwärtigen Platte 204 und einer stromabwärtigen Platte 206 derart verbunden, dass zwischen dem Gehäuse 202 und den Platten 204, 206 ein Brennstoffsammelraum bzw. Brennstoffplenum 208 definiert ist. Das Brennstoffplenum 208 steht mit einer Brennstoffzufuhrleitung 218 und den Brennstoffinjektionsöffnungen 212 jedes Rohrs 210 in Fluidverbindung. Die Brennstoffzuleitung 218 jeder Brennstoffdüse 122 steht mit einem jeweiligen Brennstoffeinlass 124 in Fluidverbindung. Die Brennstoffeinlässe 124 können durch eine Endabdeckung 126 hindurch an einem vorderen Ende des Verbrennungsrohrs 24 ausgebildet sein.
Der Kopfendabschnitt 120 des Verbrennungsrohrs 24 ist wenigstens teilweise von einem vorderen Gehäuse 130 umgeben, das mit einem Verdichterauslassgehäuse 140 physisch gekoppelt und strömungsmäßig verbunden ist. Das Verdichterauslassgehäuse 140 ist mit einem Auslass des Verdichters 16 strömungsmäßig verbunden und definiert einen Druckluftsammelraum bzw. ein Druckluftplenum 142, der bzw. das wenigstens einen Abschnitt des Verbrennungsrohrs 24 umgibt. Die Luft 18 strömt aus dem Verdichterauslassgehäuse 140 in den Ringraum 132 an einem hinteren Ende des Verbrennungsrohrs über Öffnungen, die in der Außenhülse 114 definiert sind. Weil der Ringraum 132 mit dem Kopfendabschnitt 120 strömungsmäßig verbunden ist, strömt die Luftströmung 18 von dem hinteren Ende 118 des Verbrennungsrohrs 24 aus stromaufwärts zu dem Kopfendabschnitt 120, wo die Luftströmung 18 ihre Richtung umkehrt und in die Brennstoffdüsen 200 eintritt. Eine Einlassströmungskonditionierungseinrichtung 220, die mehrere Öffnungen oder Schlitze (nicht gesondert veranschaulicht) aufweist, kann verwendet werden, um die in die Brennstoffdüsen 200 eintretende Strömung zu konditionieren oder zu vergleichmäßigen.
Die Rohre 210 weisen Einlassenden auf, die durch entsprechende (nicht veranschaulicht) Öffnungen in der stromaufwärtigen Platte 204 definiert sind. Die Luft 18 tritt durch die Einlassenden der Rohre 210 hindurch und vermischt sich während eines Betriebs mit gasförmigem Brennstoff mit dem aus dem Brennstoffplenum 208 durch die Brennstoffinjektionsöffnungen 212 strömenden Brennstoff. Die stromabwärtigen Enden (oder Auslassenden) der Rohre 210 erstrecken sich durch eine einheitliche Brennkammerkappe 128 (oder einzelne Platten, die der Größe und Form der stromaufwärtigen Platten 204 für jede Brennstoffdüse 200 entsprechen) hindurch.
Während eines Betriebs mit gasförmigem Brennstoff werden der Brennstoff 20 und die verdichtete Luft 18 durch die Brennstoffdüsen 200 in eine primäre Verbrennungszone 150 an einem vorderen Ende des Flammrohrs 112 eingeleitet, wo der Brennstoff und die Luft verbrannt werden, um Verbrennungsgase 26 zu bilden. In der veranschaulichten Ausführungsform werden der Brennstoff und die Luft innerhalb der Brennstoffdüsen 200 (z.B. in einer Düse für vorgemischten Brennstoff) miteinander vermischt. In anderen Ausführungsformen können der Brennstoff und die Luft in die primäre Verbrennungszone 150 gesondert eingeleitet und innerhalb der primären Verbrennungszone 150 miteinander vermischt werden (wie dies z.B. bei einer Diffusionsdüse erfolgen kann). Eine Bezugnahme auf ein „erstes Brennstoff/Luft-Gemisch“ hierin sollte derart interpretiert werden, das sie sowohl ein vorgemischtes Brennstoff/LuftGemisch als auch ein Brennstoff/Luft-Gemisch der Diffusionsart beschreibt, von denen jedes durch die Brennstoffdüsen 200 erzeugt werden kann. Die Verbrennungsgase 26 strömen stromabwärts in Richtung des hinteren Endes 118 des Verbrennungsrohrs 24, wobei das hintere Ende 118 durch einen hinteren Rahmen des Verbrennungsrohrs 24 dargestellt ist.
Wenn die Brennkammer 24 mit gasförmigem Brennstoff arbeitet, können zusätzlicher Brennstoff und zusätzliche Luft durch einen oder mehrere Brennstoffinjektoren 260 in eine sekundäre Verbrennungszone 160 eingeleitet werden, wo der Brennstoff und die Luft durch die Verbrennungsgase aus der primären Verbrennungszone 150 gezündet werden, um einen kombinierten Verbrennungsgasproduktstrom 26 zu bilden. Die Brennstoffinjektoren 260 empfangen Brennstoff von einer Brennstoffzuleitung 268 und Luft von dem Hochdruck-Luftplenum 142. Ein derartiges Verbrennungssystem mit in Axialrichtung voneinander getrennten Verbrennungszonen ist als ein „axiales Brennstoffstufungs‟(AFS)-System beschrieben, und die stromabwärtigen Injektoren 260 können als „AFS-Injektoren“ bezeichnet werden.
Wenn das Verbrennungsrohr 24 nur mit flüssigem Brennstoff arbeitet, werden der flüssige Brennstoff 21 und verdichtete Luft 18 durch eine Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff in die primäre Verbrennungszone 150 an einem vorderen Ende des Flammrohrs 112 eingeleitet, wo der flüssigen Brennstoff und die Luft verbrannt werden, um Verbrennungsgase 26 zu bilden. Der flüssige Brennstoff und die Luft werden in die primäre Verbrennungszone 150 gesondert eingeleitet und innerhalb der primären Verbrennungszone 150 miteinander vermischt, um eine Diffusionsflamme zu erzeugen.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff zu einer Längsachse der Brennkammer 24 koaxial angeordnet. Indem eine zentral angeordnete Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff vorgesehen ist (im Gegensatz zu örtlich festgelegten Patronen für flüssigen Brennstoff, die in jeder Brennstoffdüse 200 installiert sind), wird der für die Mischrohre 210 verfügbare Oberflächenbereich maximiert.
In wenigstens einer Ausführungsform werden die Rohrbündel-Brennstoffdüsen 200 während eines Betriebs mit flüssigem Brennstoff von Brennstoff entleert. Infolgedessen strömt Luft durch die einzelnen Rohre 210 der Rohrbündel-Brennstoffdüsen 200, und sie erzeugt mehrere kleine Luftströme, die in eine Richtung im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der Brennkammer 24 strömen.
Die Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff enthält eine Patronenspitze 400 mit mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen 470, 480, 490 (die in größeren Einzelheiten in den 7 und 8 veranschaulicht sind), die Ströme des flüssigen Brennstoffs 21 in eine oder mehrere Richtungen quer oder schräg zu den Luftströmen injizieren, die aus den Rohren 210 der von Brennstoff entleerten Rohrbündel-Brennstoffdüsen 200 stammen. Die große Anzahl kleiner Luftströme hilft, den flüssigen Brennstoff 21 zu zerstäuben, und unterstützt dessen Verbrennung, während sie hilft, sicherzustellen, dass die flüssigen Brennstofftropfen die innere Oberfläche des Flammrohrs 112 nicht erreichen.
Zusätzlich können der eine oder die mehreren AFS-Brennstoffinjektoren 260 während eines speziellen Betriebs mit flüssigem Brennstoff von Brennstoff entleert bleiben. In diesem Fall leiten die brennstofflosen AFS-Injektoren 260 relativ große Luftströme in einen Bereich hinein, der in einem Betrieb mit gasförmigem Brennstoff die sekundäre Verbrennungszone 160 darstellt. In diesem Bereich, stromabwärts von der primären Verbrennungszone 150, wirbelt die Luft aus den brennstofflosen AFS-Injektoren 260 effektiv herum, und sie vermischt die durch die Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff erzeugten Verbrennungsprodukte, so dass die Verbrennungsprodukte, die aus dem hinteren Rahmen 118 der Brennkammer austreten, denjenigen ähnlich sind, die von einer vorgemischten Flamme stammen, was dadurch gekennzeichnet ist, dass sie im Vergleich zu denjenigen, die durch eine ungehinderte Diffusionsflamme erzeugt werden, einen höheren Grad an Vermischtheit und eine höhere Geschwindigkeit haben.
3 bis 5 veranschaulichen die Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff in größeren Einzelheiten, während 6 eine zentrale Fluidsammelrohreinrichtung 350 veranschaulicht, die an einem stromaufwärtigen Ende der Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff angeordnet ist. Die Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff enthält eine Zufuhrrohranordnung 310 mit einem stromabwärtigen Ende, an dem die Patronenspitze 400 angebracht ist. Die zentrale Fluidsammelrohreinrichtung 350 ist an dem stromaufwärtigen Ende der Zufuhrrohranordnung 310 angebracht, und ein Flansch 360 umgibt die Zufuhrrohranordnung 310 an einer Position, die sich näher an der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung 350 als die Patronenspitze 400 befindet. Die zentrale Fluidsammelrohreinrichtung 350 umgibt konzentrisch die Zufuhrrohranordnung 310 und enthält einen Pilotbrennstoffeinlass 352, einen ersten Brennstoffeinlass 354 und einen zweiten Brennstoffeinlass 356.
Die Zufuhrrohranordnung 310 enthält eine Anzahl von verschachtelten Zufuhrrohren, die eine Anzahl von Strömungsdurchgängen dazwischen definieren. In wenigstens einer Ausführungsform können die Zufuhrrohre konzentrisch zueinander sein. Wie am besten unter Bezugnahme auf die beispielhafte Ausführungsform, die in den 4 und 5 veranschaulicht ist, verständlich ist, ist die Zufuhrrohranordnung 310 mit einem ersten Zufuhrrohr 312, einem zweiten Zufuhrrohr 322, das das erste Zufuhrrohr 312 in Umfangsrichtung umgibt, einem dritten Rohr 332, das das zweite Zufuhrrohr 322 in Umfangsrichtung umgibt, und einem vierten Zufuhrrohr 342 versehen, das das dritte Zufuhrrohr 332 in Umfangsrichtung umgibt. Ein erster Strömungsdurchgang 316 ist im Innern des ersten Zufuhrrohrs 312 definiert; ein zweiter Strömungsdurchgang 326 ist zwischen der Außenfläche des ersten Zufuhrrohrs 312 und der Innenfläche des zweiten Zufuhrrohrs 322 definiert; ein dritter Strömungsdurchgang 336 ist zwischen der Außenfläche des zweiten Zufuhrrohrs 322 und der Innenfläche des dritten Zufuhrrohrs 332 definiert; und ein vierter Strömungsdurchgang 346 ist zwischen der Außenfläche des dritten Zufuhrrohrs 332 und der Innenfläche des vierten Zufuhrrohrs 342 definiert.
Luft strömt in den vierten Strömungsdurchgang 346 hinein über einen Lufteinlass 358 in dem Flansch 360 ( 3). Die Luft in dem vierten Strömungsdurchgang 346 bietet ein Maß an thermischer Isolierung (Kühlung) für die Zufuhrrohranordnung 310, das hilft, eine Verkokung des flüssigen Brennstoffs zu minimieren. Eine (in 4 veranschaulichte) Schutzhülle 362 umgibt das vierte Zufuhrrohr 342 in Umfangsrichtung entlang einer Länge des vierten Zufuhrrohrs 342 stromaufwärts von dem Flansch 360, wobei sich die Schutzhülle 362 von dem Flansch 360 zu der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung 350 erstreckt. Die Schutzhülle 362 definiert einen „toten“ Hohlraum - das heißt, einen Hohlraum, durch den kein Fluid strömt.
Um eine Installation und Brennstoffzuführung zu unterstützen, kann die Zufuhrrohranordnung 310 an einer Stelle stromaufwärts von der Patronenspitze 400 mit einer Biegung 370 versehen sein. Die Biegung 370 befindet sich näher an den stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre 312, 322, 332, 342 und der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung 350 als an den stromabwärtigen Enden der Zufuhrrohre 312, 322, 332, 342 und der Patronenspitze 400. In anderen Worten ist die Biegung 370 in der Nähe der stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre 312, 322, 332, 342 angeordnet. Die Biegung 370 kann einen ungefähr rechten Winkel (90 Grad +/- 5 Grad) oder einen beliebigen anderen Winkel definieren, der sich zur Lieferung von Brennstoff zu der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung 350 eignet. Um die Zufuhrrohre 312, 322, 332, 342 unter Aufrechterhaltung ihres inneren Abstands zu biegen, werden die Zufuhrrohre 312, 322, 332, 342 mit einem entfernbaren Material gefüllt, wie dies hier nachstehend erläutert ist.
Indem nun auf 6 Bezug genommen wird, steht der erste Strömungsdurchgang 316 mit einer Pilotbrennstoffquelle über einen Pilotbrennstoffeinlass 352 an der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung 350 in Strömungsverbindung. Der zweite Strömungsdurchgang 326 und der dritte Strömungsdurchgang 336 stehen mit einer Quelle für flüssigen Brennstoff (oder ein Gemisch aus flüssigen Brennstoff und Wasser) über einen ersten Fluideinlass 354 bzw. einen zweiten Brennstoffeinlass 356 in Strömungsverbindung. Der Pilotbrennstoffeinlass 352 ist mit dem ersten Zufuhrrohr 312 koaxial ausgerichtet. Der erste Brennstoffeinlass 354 und der zweite Brennstoffeinlass 356 sind einander gegenüberliegend angeordnet und in einer Querrichtung in Bezug auf das zweite Zufuhrrohr 322 bzw. das dritte Zufuhrrohr 332 ausgerichtet. Es können stattdessen je nach Bedarf andere Anordnungen des Pilotbrennstoffeinlasses 352, des ersten Brennstoffeinlasses 354 und des zweiten Brennstoffeinlasses 356 verwendet werden.
7 zeigt eine Perspektivansicht und 8 zeigt eine Querschnittsansicht der Patronenspitze 400 der Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff. In der veranschaulichten beispielhafte Ausführungsform enthält die Patronenspitze 400 vier verschachtelte Leitungen 412, 422, 432, 442, die ihre jeweiligen Fluide (z.B. Brennstoff oder Luft) durch verschachtelte Strömungsdurchgänge 416, 426, 436, 446 in Richtung des oder zu dem stromabwärtigen Ende der Patronenspitze 400 liefern. In anderen Ausführungsformen können wenigstens drei verschachtelte Leitungen 412, 422, 432 verwendet werden. Um eine Montage zu erleichtern, weisen die Leitungen 412, 422, 432, 442 unterschiedliche Längen von jeweils längster bis zur kürzesten auf.
Die äußerste Leitung (z.B. die vierte Leitung 442) ist mit einem zylindrischen Abschnitt 454 der Patronenspitze 400 gekoppelt, der einen kleineren Durchmesser als derjenige der äußersten Leitung haben kann oder nicht. Der zylindrische Abschnitt 454 erstreckt sich in Axialrichtung zwischen der äußersten Leitung 442 und einem kegelstumpfförmigen Abschnitt 450 der Patronenspitze 400. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 450 weist einen Basisumfang auf, der an den zylindrischen Abschnitt 454 angefügt ist und der einen ersten Durchmesser aufweist, der gleich demjenigen des zylindrischen Abschnitts ist. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 450 weist ein zu dem Basisumfang entgegengesetztes stromabwärtiges Ende auf. Das stromabwärtige Ende kann als eine hintere Platte 452 bezeichnet werden, die einen zweiten Durchmesser aufweist, der kleiner als der erste Durchmesser ist. Eine Umfangsseitenwand 458 erstreckt sich in Axialrichtung zwischen dem Basisumfang und der hinteren Platte 452. Die hintere Platte 452, die Umfangsseitenwand 458 und optional der zylindrische Abschnitt 454 können mit einer Wärmeschutzbeschichtung beschichtet sein.
Die Umfangsseitenwand 458 definiert durch sie hindurch eine oder mehrere Reihen von Injektionsöffnungen 470, 480, 490. Ein erster Satz von Injektionsöffnungen 470 befindet sich in der Nähe der hinteren Platte 452. Ein zweiter Satz von Injektionsöffnungen 480 befindet sich stromaufwärts von dem ersten Satz Injektionsöffnungen 470, und ein dritter Satz Injektionsöffnungen 490 befindet sich stromaufwärts von dem zweiten Satz Injektionsöffnungen 480. Jede Injektionsöffnung 470, 480, 490 definiert eine Durchlassöffnung, durch die ein Fluid (z.B. ein Brennstoff oder ein Brennstoff/WasserGemisch) strömt, und jede Öffnung 470, 480, 490 ist von einer Entlüftungsöffnung 472, 482 bzw. 492 wenigstens teilweise längs des Umfangs umgeben. In dem hierin verwendeten Sinne sollte der Ausdruck „Injektionsöffnung“ derart verstanden werden, dass es eine oder mehrere Injektionsdurchlassöffnungen oder -düsen (z.B. Simplex-Düsen) verkörpert.
Der erste Satz Injektionsöffnungen 470 weist weniger Injektionsöffnungen auf als der zweite Satz Injektionsöffnungen 480, während der zweite Satz Injektionsöffnungen 480 und der dritte Satz Injektionsöffnungen 490 gleiche Anzahl haben können. Jede Injektionsöffnung 470 in dem ersten Satz Injektionsöffnungen weist eine erste Größe auf. Jede Injektionsöffnung 480 in dem zweiten Satz Injektionsöffnungen weist eine zweite Größe auf. Jede Injektionsöffnung 490 in dem dritten Satz Injektionsöffnungen weist eine dritte Größe auf. In einer Ausführungsform, wie veranschaulicht, ist die erste Größe kleiner als die zweite Größe, und die zweite Größe ist kleiner als die dritte Größe.
Die Positionierung der Injektionsöffnungen 470, 480 und/oder 490 in Umfangsrichtung kann optimiert sein, um die Vermischung zwischen dem flüssigen Brennstoff und Luft mit dem Wunsch für eine Durchdringung des flüssigen Brennstoffs durch einen gegebenen Bereich (z.B. einen Bereich stromabwärts der Kappe 128) in Einklang zu bringen. Ein Brennstoff aus den Injektionsöffnungen 470, 480 und 490, der auf Luftströme aus einer großen Anzahl der Mischrohre 210 trifft, erreicht eine größere Vermischung, jedoch eine geringere Durchdringung in einer Radialrichtung, und auch der Umkehrschluss trifft zu. Aus diesem Grund kann es wünschenswert sein, in einigen Fällen einige der Injektionsöffnungen 470, 480 und/oder 490 mit Zwischenräumen zwischen benachbarten Rohrbündel-Brennstoffdüsen 200 auszurichten, um die Durchdringung zu erhöhen. Hierzu können die Injektionsöffnungen 470, 480 und/oder 490 mit einem ungleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Öffnungen angeordnet sein, oder die Injektionsöffnungen 470, 480 und/oder 490 können an dem Umfang der Patronenspitze 400 gleichmäßig voneinander beabstandet sein. Außerdem sollte verstanden werden, dass, obwohl jeder Satz von Injektionsöffnungen 470, 480 und 490 veranschaulicht ist, wie er entlang einer einzigen axialen Ebene angeordnet ist, die Injektionsöffnungen eines oder mehrerer Sätze 470, 480 oder 490 in mehr als einer einzelnen axialen Ebene angeordnet sein können.
Der erste Satz Injektionsöffnungen 470 steht mit dem ersten Strömungsdurchgang 416 in Fluidverbindung, der mit dem ersten Strömungsdurchgang 316 des ersten Brennstoffzufuhrrohres 312 strömungsmäßig verbunden ist. In einer beispielhaften Ausführungsform steht das erste Brennstoffzufuhrrohr 312 mit einer Quelle für Pilotbrennstoff in Strömungsverbindung.
Der zweite Satz Injektionsöffnungen 480 steht mit dem zweiten Strömungsdurchgang 426 in Fluidverbindung, der mit dem zweiten Strömungsdurchgang 326 des zweiten Brennstoffzufuhrrohres 322 strömungsmäßig verbunden ist. In einer beispielhaften Ausführungsform steht das zweite Brennstoffzufuhrrohr 322 mit einer Quelle für flüssigen Brennstoff (oder ein Gemisch aus flüssigem Brennstoff und Wasser) in Strömungsverbindung.
Der dritte Satz Injektionsöffnungen 490 steht mit dem dritten Strömungsdurchgang 436 in Fluidverbindung, der mit dem dritten Strömungsdurchgang 336 des dritten Brennstoffzufuhrrohres 332 strömungsmäßig verbunden ist. In einer beispielhaften Ausführungsform steht das dritte Brennstoffzufuhrrohr 332 mit einer Quelle für flüssigen Brennstoff (oder ein Gemisch aus flüssigem Brennstoff und Wasser) in Strömungsverbindung. Die Quelle für flüssigen Brennstoff (oder ein Gemisch aus flüssigem Brennstoff und Wasser) kann eine gemeinsame zwischen dem zweiten Brennstoffzufuhrrohr 322 und dem dritten Brennstoffzufuhrrohr 332 sein.
Der vierte Strömungsdurchgang 446 steht mit einer Quelle für verdichtete Luft über das vierte Zufuhrrohr 346 in Strömungsverbindung. Die verdichtete Luft strömt durch den vierten Strömungsdurchgang 446 entlang des Umfangs der Patronenspitze 400, um eine Kühlung an dieser zu erzielen. Ein Teil der verdichteten Luft strömt durch die Entlüftungsöffnungen 472, 482, 492 um die Injektionsöffnungen 470, 480 bzw. 490 herum, während ein zweiter Teil der verdichteten Luft zu einer Luftkammer 465 benachbart zu der hinteren Platte 452 geleitet wird. Luft aus der Luftkammer 465 strömt durch mehrere Luftdurchlassöffnungen 460, die in der hinteren Platte 452 angeordnet sind, wobei die Luftdurchlassöffnungen 460 mit dem vierten Strömungsdurchgang 446 in Strömungsverbindung stehen.
Die Patronenspitze 400 kann unter Verwendung additiver Fertigung, wie etwa eines metallpulverbasierten additiven Fertigungssystems oder eines anderen additiven Fertigungssystems, abhängig von den verwendeten Materialien, hergestellt sein. Mehr Einzelheiten über die Herstellung der Patronenspitze 400 können in der auf die gemeinsame Anmelderin lautenden US-Patentanmeldung Nr. 15/384,725 , die am 20. Dezember 2016 eingereicht wurde und den Titel „Additively Manufactured Object with Self-Breaking Support with Fluid Passage“ („Additiv gefertigtes Objekt mit selbstbrechender Stütze mit einem Fluiddurchgang“) und der US-Patentanmeldung Nr. 15/434,386 gefunden werden, die am 16. Februar 2017 eingereicht wurde und den Titel „Object with Tear-Shaped Suspension for Annular Bodies“ („Objekt mit tropfenförmiger Aufhängung für ringförmige Körper“) trägt.
Um die Patroneneinheit 300 für flüssigen Brennstoff zu montieren, ist die Patronenspitze 400 mit mehreren verschachtelten Leitungen 412, 422, 432 (wie vorstehend beschrieben) versehen. Ein stromabwärtiges Ende des ersten Zufuhrrohrs 312 wird mit der ersten Leitung 412 verbunden. Ein stromabwärtiges Ende des zweiten Zufuhrrohrs 322 wird mit der zweiten Leitung 422 derart verbunden, dass das zweite Zufuhrrohr 322 das erste Zufuhrrohr 312 umgibt. Ein stromabwärtiges Ende des dritten Zufuhrrohrs 332 wird mit der dritten Leitung 432 derart verbunden, dass das dritte Zufuhrrohr 332 das zweite Zufuhrrohr 322 umgibt, wodurch eine verschachtelte Rohranordnung 310 gebildet wird. Die Verbindung der stromabwärtigen Enden der Zufuhrrohre 312, 322, 332 mit den jeweiligen Leitungen 412, 422, 432 kann durch Verschweißen oder Hartverlöten oder durch irgendwelche anderen Verbindungstechniken, die in der Technik bekannt sind, bewerkstelligt werden.
In einigen Ausführungsformen wird ein stromabwärtiges Ende des vierten Zufuhrrohrs 342 mit einer vierten Leitung 442 derart verbunden, dass das vierte Zufuhrrohr 342 das dritte Zufuhrrohr 332 umgibt. Der Montageflansch 360 kann stromabwärts von der Stelle der Biegung 370 bereitgestellt werden und kann den Lufteinlass 358 enthalten, der mit dem vierten Zufuhrrohr 342 in Strömungsverbindung steht. Das vierte Zufuhrrohr 342 kann mit der vierten Leitung 442 durch Schweißen oder Hartlöten oder irgendwelche anderen in der Technik bekannten Verbindungstechniken verbunden werden.
Um die verschachtelte Rohranordnung 310 unter Aufrechterhaltung der inneren Abstände der Zufuhrrohre 312, 322 und 332 sowie optional 342 zu biegen, werden die Zufuhrrohre 312, 322 und 332 und, falls vorhanden, 342 mit einem entfernbaren Material gefüllt. Das entfernbare Material kann eines von Harz, Pulver, Granulaten, Pech, Sand, Blei und Legierungsmaterialien, die einen Schmelzpunkt aufweisen, der niedriger als der Siedepunkt von Wasser ist, sein. Ein derartiges beispielhaftes entfernbares Legierungsmaterial ist eine eutektische schmelzbare Legierung aus 50 Gew.-% Wismut, 26,7 Gew.-% Blei, 13,3 Gew.-% Zinn und 10 Gew.-% Kadmium, die einen Schmelzpunkt von ungefähr 70°C (158°F) aufweist, die als Woodsches Metall bezeichnet werden kann und die unter den Handelsnamen CERROBEND™, BENDALLOY™, PEWTALLOY™ und MCP158™ verkauft wird. Dieses Legierungsmaterial passt sich der Innenseite der Rohre an und ermöglicht ihnen dabei, als eine feste Struktur gebogen zu werden.
In einer Ausführungsform werden die Zufuhrrohre 312, 322 und 332 und, falls vorhanden, 342 mit einem Öl geschmiert, bevor sie mit dem eutektischen Legierungsmaterial gefüllt werden. Wenn sich fas geschmolzene Legierungsmaterial an Ort und Stelle befindet, kann die Zufuhrrohranordnung 310 mit Wasser gekühlt werden, um das Legierungsmaterial festzusetzen oder zu kristallisieren. Wenn die Zufuhrrohranordnung 310 und das Legierungsmaterial Zimmertemperatur erreichen, kann die Zufuhrrohranordnung 310 um eine Form herum gebogen werden, um den gewünschten Krümmungsradius zu erreichen. Sobald die Biegung 370 geschaffen ist, kann das Legierungsmaterial aus der Leitungsrohranordnung 310 unter Verwendung von Dampf, Siedewasser oder heißer Luft entfernt werden. Das Legierungsmaterial kann für eine nachfolgende Wiederverwendung wiedergewonnen werden.
Die Biegung 370 ist näher an den stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre 312, 322 und 332 als an den stromabwärtigen Enden der Zufuhrrohre 312, 322, 332 angeordnet. Anders gesagt, befindet sich die Stelle der Biegung 370 in der Nähe der stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre 312, 322, 332.
Sobald die Biegung 370 festgelegt ist, werden die stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre 312, 322 und 332 mit der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung 350 verbunden, so dass die Zufuhrrohre 312, 322, 332 lediglich durch die Patronenspitze 400 (an ihren jeweiligen stromabwärtigen Enden) und die zentrale Fluidsammelrohreinrichtung 350 (an ihren jeweiligen stromaufwärtigen Enden) getragen werden. Die Verbindung der stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre 312, 322, 332 mit der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung 350 kann durch Schweißen oder Hartlöten bewerkstelligt werden.
Wie zuvor erläutert, kann die zentrale Fluidsammelrohreinrichtung 350 mit einem ersten Fluideinlass (z.B. dem Pilotbrennstoffeinlass 352) in Strömungsverbindung mit dem ersten Zufuhrrohr 312 versehen sein. Die zentrale Fluidsammelrohreinrichtung 350 kann mit weiteren Brennstoffeinlässen 354, 356 versehen sein, die flüssigen Brennstoff (oder ein Gemisch aus flüssigem Brennstoff und Wasser) als gesonderte Brennstoffkreisläufe dem zweiten Zufuhrrohr 322 bzw. dem dritten Zufuhrrohr 332 zuführen. Der Pilotbrennstoffeinlass 352 ist stromaufwärts von dem Brennstoffeinlass 354 vorgesehen, und der Brennstoffeinlass 354 ist stromaufwärts von dem Brennstoffeinlass 356 vorgesehen.
Die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen erleichtern die Einleitung eines flüssigen Brennstoffs in das Kopfende einer energieerzeugenden Gasturbinenbrennkammer. Insbesondere unterstützen die Verfahren und Vorrichtungen die Lieferung eines flüssigen Brennstoffs (oder eines Gemisches aus flüssigem Brennstoff und Wasser) durch eine zentral angeordnete Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff in einer derartigen Weise, dass die Verteilung des flüssigen Brennstoffs über der Verbrennungszone verbessert wird, ohne dass die Wände des umgebenden Flammrohrs bzw. der umgebenden Auskleidung benetzt werden. Wenn sie in Verbindung mit einem Kopfende verwendet werden, das brennstofflose Rohrbündel-Brennstoffdüsen enthält, helfen die Luftströme aus den einzelnen Rohren, den flüssigen Brennstoff zu zerstäuben und eine stabile Diffusionsflamme zu erzeugen.
Ferner nehmen die Verbrennungsprodukte, die durch die Diffusionsflamme erzeugt werden, durch Einleitung zusätzlicher großer Strahlen als Querströmungen in das Brennkammerflammrohr über brennstofflose stromabwärtige Brennstoffinjektoren, die Eigenschaften einer vorgemischten Flamme hinsichtlich eines größeren Grads an Vermischtheit und einer höheren Geschwindigkeit als Diffusionsflammen, denen gestattet ist, sich ungehindert bis zu dem Brennkammerauslass auszubreiten, an.
Die Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen folglich eine Verbesserung des gesamten Betriebswirkungsgrades einer Brennkammer, wie z.B. einer Brennkammer in einer Turbinenanordnung. Dies erhöht die Turbinenausgangsleistung. Außerdem bietet die vorliegende Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff insofern eine größere betriebliche Flexibilität, als die Brennkammer eingerichtet ist, um sowohl flüssigen Brennstoff als auch Erdgas zu verschiedenen Zeiten zu verbrennen.
Beispielhafte Ausführungsformen für die Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff und Verfahren zur Herstellung derselben sind vorstehend im Einzelnen beschrieben. Die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten der Verfahren und Vorrichtungen unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden können. Zum Beispiel können die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen weitere Anwendungen haben, die nicht auf eine Ausführung bei Turbinenanordnungen, wie hierin beschrieben, beschränkt sind. Vielmehr können die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen in Verbindung mit verschiedenen weiteren Industriezweigen implementiert und genutzt werden.
Während die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die Erfindung innerhalb des Rahmens und Schutzumfangs der Ansprüche mit Modifikationen ausgeführt werden kann.
Eine Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff für eine Gasturbinenbrennkammer enthält eine Patronenspitze mit einer hinteren Platte und einer Seitenwand, die die hintere Platte umgibt. Erste Injektionsöffnungen sind durch die Seitenwand hindurch definiert, und zweite Injektionsöffnungen sind durch die Seitenwand hindurch stromaufwärts von den ersten Injektionsöffnungen in Bezug auf die Brennstoffströmung durch die Patronenspitze definiert. Verschachtelte Leitungen erstrecken sich in die Patronenspitze hinein, wobei die konzentrischen Leitungen dazwischen jeweilige Strömungsdurchgänge definieren. Die ersten Injektionsöffnungen stehen mit einem ersten Strömungsdurchgang in Fluidverbindung, und die zweiten Injektionsöffnungen stehen mit einem zweiten Strömungsdurchgang in Fluidverbindung. Ein Verfahren zur Montage der Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff wird ebenfalls bereitgestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 15384725 [0064]
US 15434386 [0064]

Claims

Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff für eine Gasturbinenbrennkammer, wobei die Patroneneinheit aufweist: eine Patronenspitze, die eine hintere Platte und eine Seitenwand aufweist, die die hintere Platte umgibt; mehrere erste Injektionsöffnungen, die durch die Seitenwand hindurch definiert sind; mehrere zweite Injektionsöffnungen, die durch die Seitenwand hindurch in einer anderen axialen Ebene als die mehreren ersten Injektionsöffnungen definiert sind; und mehrere verschachtelte Leitungen, die sich in die Patronenspitze hinein erstrecken, wobei die mehreren verschachtelten Leitungen dazwischen jeweilige Strömungsdurchgänge definieren, wobei die mehreren ersten Injektionsöffnungen mit einem ersten Strömungsdurchgang in Fluidverbindung stehen und die mehreren zweiten Injektionsöffnungen mit einem zweiten Strömungsdurchgang in Fluidverbindung stehen.
Patroneneinheit nach Anspruch 1, wobei die mehreren ersten Injektionsöffnungen weniger Injektionsöffnungen als die mehreren zweiten Injektionsöffnungen aufweisen; und/oder wobei jede Injektionsöffnung der mehreren ersten Injektionsöffnungen eine erste Größe aufweist, wobei jede Injektionsöffnung der mehreren zweiten Injektionsöffnungen eine zweite Größe aufweist und wobei sich die erste Größe von der zweiten Größe unterscheidet.
Patroneneinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren verschachtelten Leitungen eine erste Leitung, die den ersten Strömungsdurchgang definiert, und eine zweite Leitung aufweisen, die die erste Leitung umgibt, wobei der zweite Strömungsdurchgang zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung definiert ist.
Patroneneinheit nach Anspruch 3, wobei die erste Leitung und die zweite Leitung jeweils mit einem ersten Zufuhrrohr bzw. einem zweiten Zufuhrrohr verbunden sind und wobei das erste Zufuhrrohr und das zweite Zufuhrrohr verschachtelt sind und sich stromaufwärts von der Patronenspitze erstrecken; wobei der erste Strömungsdurchgang vorzugsweise über das erste Zufuhrrohr mit einer Pilotbrennstoffquelle in Strömungsverbindung steht und der zweite Strömungsdurchgang vorzugsweise über das zweite Zufuhrrohr mit einer Quelle für flüssigen Brennstoff in Strömungsverbindung steht.
Patroneneinheit nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren verschachtelten Leitungen eine dritte Leitung enthalten, die die zweite Leitung umgibt, so dass ein dritter Strömungsdurchgang zwischen der zweiten Leitung und der dritten Leitung definiert ist; und wobei mehrere dritte Injektionsöffnungen durch die Seitenwand hindurch in einer anderen axialen Ebene als die mehreren ersten Injektionsöffnungen und die mehreren zweiten Injektionsöffnungen definiert sind, wobei die mehreren dritten Injektionsöffnungen mit dem dritten Strömungsdurchgang in Strömungsverbindung stehen; wobei die dritte Leitung vorzugsweise mit einem dritten Zufuhrrohr verbunden ist, wobei das dritte Zufuhrrohr das zweite Zufuhrrohr umgibt und mit einer Flüssigbrennstoffversorgung in Strömungsverbindung steht.
Patroneneinheit nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren verschachtelten Leitungen eine Luftströmungsleitung enthalten, die die zweite Leitung umgibt, so dass ein Luftströmungsdurchgang zwischen der zweiten Leitung und der Luftströmungsleitung definiert ist; und wobei die Luftströmungsleitung mit einem Luftströmungszufuhrrohr verbunden ist, das mit einer Druckluftversorgung in Strömungsverbindung steht.
Patroneneinheit nach Anspruch 6, wobei die hintere Platte durch sie hindurch mehrere Durchlassöffnungen in Strömungsverbindung mit dem durch die Luftströmungsleitung definierten Luftströmungsdurchgang definiert; und/oder wobei wenigstens eine Injektionsöffnung der mehreren ersten Injektionsöffnungen und der mehreren zweiten Injektionsöffnungen von einer Entlüftungsöffnung umgeben ist, wobei die Entlüftungsöffnung mit dem durch die Luftströmungsleitung definierten Luftströmungsdurchgang in Strömungsverbindung steht.
Verfahren zur Montage einer Patroneneinheit für flüssigen Brennstoff für eine Brennkammer, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Patronenspitze für flüssigen Brennstoff, die mehrere verschachtelte Leitungen aufweist, die sich in Axialrichtung stromaufwärts von dieser erstrecken; Verbinden eines stromabwärtigen Endes eines ersten Zufuhrrohrs mit einer ersten Leitung der mehreren Leitungen; Verbinden eines stromabwärtigen Endes eines zweiten Zufuhrrohrs mit einer zweiten Leitung der mehreren Leitungen in einer derartigen Weise, dass das zweite Zufuhrrohr das erste Zufuhrrohr umgibt; Verbinden eines stromabwärtigen Endes eines dritten Zufuhrrohrs mit einer dritten Leitung der mehreren Leitungen in einer derartigen Weise, dass das dritte Zufuhrrohr das zweite Zufuhrrohr umgibt und dadurch eine konzentrische Rohranordnung gebildet wird; Biegen der konzentrischen Rohranordnung um eine Form herum an einer Biegestelle stromaufwärts von der Patronenspitze; Verbinden eines stromaufwärtigen Endes jedes von dem ersten Zufuhrrohr, dem zweiten Zufuhrrohr und dem dritten Zufuhrrohr mit einer zentralen Fluidsammelrohreinrichtung; wobei das erste Zufuhrrohr, das zweite Zufuhrrohr und das dritte Zufuhrrohr lediglich durch die Patronenspitze und die zentrale Fluidsammelrohreinrichtung getragen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verbinden der stromabwärtigen Enden der Zufuhrrohre mit jeweiligen Leitungen durch Schweißen oder Hartlöten bewerkstelligt wird und wobei das Verbinden der stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre mit der zentralen Fluidsammelrohreinrichtung durch Schweißen oder Hartlöten bewerkstelligt wird; und/oder wobei die Biegestelle sich in der Nähe der stromaufwärtigen Enden der Zufuhrrohre befindet.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das ferner ein Füllen des ersten Zufuhrrohrs, des zweiten Zufuhrrohrs und des dritten Zufuhrrohrs mit einem entfernbaren Material vor dem Biegen der konzentrischen Rohranordnung aufweist; wobei das Verfahren vorzugsweise ferner ein Entfernen des entfernbaren Materials nach dem Biegen der konzentrischen Rohranordnung aufweist.