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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer, welche die Entwicklung von Verbrennungsschwingungen verhindert, sowie ein damit ausgestattetes Gasturbinentriebwerk.
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In den vergangenen Jahren entstand ein verstärktes Interesse an der Erhaltung der Umwelt sowie ein Bedarf für eine Reduzierung der Emissionen von Stickstoffoxid (NOx) und ähnlichem. Dies trifft auch auf das Gebiet von Gasturbinentriebwerken zu, und derzeit gibt es Fortschritte in der Forschung und Entwicklung in verschiedenen Bereichen, insbesondere in dem Bereich der Brennkammern.
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Bei den weithin in vielen Gasturbinentriebwerken verwendeten Brennkammern handelt es sich um Brennkammern des Vormischtyps, in denen ein Zündbrenner zentral in einem Brenngehäuse angebracht ist und eine Mehrzahl von Hauptbrennern so angeordnet sind, dass sie den Umkreis des Zündbrenners umgeben. Gasturbinentriebwerke können von dem Typ sein, der Gastreibstoffe wie Flüssigerdgas (engl. Abk. LNG) verbrennt, oder des Typs, der Flüssigtreibstoffe wie Kerosin oder Schweröle vom Typ A verbrennt.
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Unabhängig davon, ob gasförmiger Brennstoff oder Flüssigtreibstoff als Treibstoff verwendet wird, ist den Brennkammern eine Konfiguration gemeinsam, bei der ein Treibstoff in den verdichteten Luftstrom an der Vormischdüse eines Hauptbrenners eingespritzt wird, um im Vorhinein ein Treibstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, das die Druckluft sowie den Treibstoff enthält. Das Treibstoff-Luft-Gemisch wird dann von Flammen entzündet, die vom Zündbrenner ausgehen und verbrennt, wobei die entstehende hohe Temperatur und das Hochdruckverbrennungsgas die der Brennkammer nachgeschalteten Turbinen antreiben. Durch das Vormischen der Druckluft und des Treibstoffs auf diese Weise kann der Anteil des Luftvolumens im Verhältnis zum Treibstoffvolumen vergleichsweise frei eingestellt werden, und der Anteil der bei der Verbrennung vorhandenen Luft (Prozentsatz überschüssiger Luft) kann erhöht werden. Als Folge davon kann die Verbrennungstemperatur verringert werden, was die erzeugte NOx-Menge senkt.
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Gasturbinenbrennkammern des Vormischer-Typs haben jedoch eine Tendenz zur Entwicklung von Verbrennungsschwingungen. Beim Auftreten von Verbrennungsschwingungen wird die Verbrennung normalerweise aufgrund der Erhöhung des Fluktuationsbereichs beim Verbrennungsdruck sowie aufgrund der zyklischen Vibrationen im Niederfrequenzbereich instabil, und es entsteht ein Geräusch durch die regelmäßigen Druckschwankungen der Brennkammer.
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Verbrennungsschwingungen entstehen, wenn die regelmäßigen Druckschwankungen in der Brennkammer aufgrund der Verbrennung mit der hydrodynamischen natürlichen Vibrationsfrequenz der Brennkammer mitschwingen. Insbesondere umfassen herkömmliche Konfigurationen Flammen, die von einer Mehrzahl von Hauptbrennern ausgehen, die alle dieselbe Form aufweisen. Als Ergebnis dieser Konfiguration wird die Wärmefreisetzungsrateposition der Einspritzflammen, die von jedem der Hauptbrenner ausgehen, tendenziell an der gleichen Position in der Axialrichtung der Brennkammer konzentriert, wobei der Temperaturanstieg in diesem Bereich mit konzentrierter Wärmefreisetzung auch einen raschen Anstieg des Verbrennungsgasdrucks bewirkt. Die daraus resultierenden Druckwellen setzen sich durch die Brennkammer hindurch fort und generieren einen Zustand, in dem Resonanz und damit Verbrennungsschwingungen leicht auftreten können.
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Die
JP 2003-139 326 A und die
JP 2001-254 947 A beschreiben Gasturbinenbrennkammern, die so konfiguriert sind, dass derartige Verbrennungsschwingungen unterbunden werden.
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Die
JP 2003-139 326 A beschreibt eine Gasturbinenbrennkammer mit an zwei oder mehr Vormischleitungen angebrachten Drallkörpern mit unterschiedlichen Drallwinkeln, sodass die Länge (Form) der Flammen, die aus den Vormischleitungen in der Brennkammer ausgehen, sich jeweils unterscheidet. Als Ergebnis dieser Konfiguration wird die Konzentration der Wärmefreisetzungsrateposition der Einspritzflammen an einer Position in Axialrichtung der Brennkammer vermieden, und somit werden Verbrennungsschwingungen unterdrückt.
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Die
JP 2001-254 947 A beschreibt eine Gasturbinenbrennkammer mit elliptischen verlängerten Leitungen, die an einer nachgelagerten Seite der Hauptdüsen (Vormischdüsen) angeschlossen sind, wobei die Form der Leitungen unterschiedlich ausfällt. Als Ergebnis dieser Konfiguration wird verhindert, dass sich die vorgemischte Luft aus allen Hauptdüsen an der gleichen Position in der Axiallinienrichtung der Brennkammer entzündet und verbrannt wird, die Wärmefreisetzungsrateposition der Einspritzflammen wird daran gehindert, sich an einer Stelle zu konzentrieren, und Verbrennungsschwingungen werden unterdrückt.
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Aus der
US 8966909 B2 ist eine Gasturbinenbrennkammer bekannt, bei der die Treibstoffeinspritzöffnungen der verschiedenen Hauptbrenner dadurch unterschiedlich sind, dass diese in der Axialrichtung der jeweiligen Hauptbrenner an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind.
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Weitere Gasturbinenbrennkammern, bei denen die Treibstoffeinspritzöffnungen der verschiedenen Hauptbrenner in der Axialrichtung der jeweiligen Hauptbrenner an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, sind aus der
DE 19809364 A1 und der
JP H08-135970 A bekannt.
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Die
DE 10 2011 055 472 A1 , die gattungsgemäße
DE 699 10 106 T2 und die
WO 2012/025427 A1 offenbaren weitere Gasturbinenbrennkammern mit Treibstoffeinspritzöffnungen der verschiedenen Hauptbrenner in unterschiedlichen Ausgestaltungen.
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Während jedoch herkömmliche Gasturbinenbrennkammern, wie in der
JP 2003-139 326 A und der
JP 2001-254 947 A beschrieben, zum Fachgebiet der Gasturbinenbrennkammern, welche Treibstoffgas verwenden, beigetragen haben, haben sie im Fachgebiet der Gasturbinenbrennkammern, die Flüssigtreibstoff verwenden, aufgrund der Tatsache, dass die unterschiedliche Länge (Form) der Flammen ohne eine Veränderung der Konzentrationsverteilung des Treibstoff-Luft-Gemisches (in dem die Druckluft und der Flüssigtreibstoff enthalten sind) zwischen der Mehrzahl von Vormischdüsen schwer zu erreichen ist, minimalen Einfluss.
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Auch die Realisierung von Konfigurationen wie der in
JP 2003-139 326 A , bei welcher der Drallwinkel zwischen den an der Vormischleitung angebrachten Drallkörpern unterschiedlich ausfällt, oder der in
JP 2001 -
254 947 A , bei der die Form der elliptischen verlängerten Leitungen unterschiedlich ist, bedeutet signifikante Änderungen an der Konfiguration der Gasturbinenbrennkammern, die ihrerseits beispielsweise dazu führen können, dass bei der Umrüstung bestehender Gasturbinenbrennkammern hohe Kosten anfallen.
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Darüber hinaus besteht bei einer Änderung der Form die Gefahr eines Druckverlustes der Luft, was zu einer Unwucht in der Luftverteilung in den Gasturbinenbrennkammern der
JP 2003-139 326 A und der
JP 2001 -
254 947 A aufgrund der unterschiedlich ausfallenden Form des Luftströmungspfades zwischen den Hauptdüsen (Hauptbrennern) führt. Dadurch steigt die durchschnittliche Flammengeschwindigkeit an den Hauptdüsen, die mit minimaler Luft versorgt werden, und die Menge des insgesamt von der Brennkammer erzeugten NOx neigt dazu, anzusteigen.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben dargelegten Problemstellung entwickelt, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasturbinenbrennkammer und ein damit ausgestattetes Gasturbinentriebwerk bereitzustellen, welche eine einfache Konfiguration, die Flüssigtreibstoff nutzt, und ein sehr gutes Preis-/Leistungs-Verhältnis aufweist, wodurch die Menge an erzeugtem NOx reduziert und das Auftreten von Verbrennungsschwingungen verhindert werden kann.
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Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenbrennkammer mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 vor.
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Insbesondere umfasst eine Gasturbinenbrennkammer gemäß der vorliegende Erfindung: einen Zündbrenner, der zentral in einem Brennkammergehäuse angeordnet ist, sowie eine Mehrzahl von Hauptbrennern, die so angeordnet sind, dass sie den Umfang des Zündbrenners umschließen, jeder der Hauptbrenner umfasst eine Hauptdüse, die zentral in einer zylindrischen Vormischdüse angeordnet ist, wobei ein Flüssigtreibstoff über an einem Umfang der Hauptdüse vorgesehene Treibstoffeinspritzöffnungen in Richtung einer Innenfläche einer verlängerten Düse eingespritzt wird, welche mit einer Stromaufwärtsseite der Vormischdüse verbunden ist, und wobei ein Einspritzmuster für den durch die Treibstoffeinspritzlöcher in Richtung der Innenfläche der verlängerten Düse eingespritzten Flüssigtreibstoff so eingestellt ist, dass es sich zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern unterscheidet.
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Gemäß der Gasturbinenbrennkammer kann die Konzentrationsverteilung des Treibstoff-Luft-Gemisches (das die Druckluft und den Flüssigtreibstoff enthält) aufgrund des Einspritzmusters für den Flüssigtreibstoff, welches sich zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern unterscheidet, zwischen den Hauptbrennern variiert werden, sodass die Länge und Form der von den Hauptbrennern ausgestoßenen Verbrennungsflammen unterschiedlich ausfallen. Aufgrund dessen können die Konzentration der Wärmefreisetzungsrateverteilung sowie der Punkt der maximalen Wärmefreisetzung der Mehrzahl von Verbrennungsflammen an einer Position in der Axialrichtung der Brennkammer sowie Verbrennungsschwingungen verhindert werden.
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Darüber hinaus tritt durch die Beibehaltung der gleichen Form der Luftströmungspfade bei der Mehrzahl von Hauptbrennern keine Änderung des Formdruckverlustes der Luft und keine Unwucht in der Luftverteilung ein. Folglich ist die NOx-Erzeugung aufgrund der vergrößerten durchschnittlichen Flammengeschwindigkeit an den bestimmten Hauptbrennern mit minimalem Luftverbrauch unterdrückt und die durch die Brennkammer insgesamt erzeugte NOx-Menge kann reduziert werden.
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Als eine Konfiguration, bei der sich das Einspritzmuster des durch die Treibstoffeinspritzöffnungen eingespritzten Flüssigtreibstoffes zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern unterscheidet, kann der Einspritzwinkel für den Flüssigtreibstoff durch die Treibstoffeinspritzöffnungen bei der Mehrzahl von Hauptbrennern unterschiedlich ausfallen.
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Ebenso kann sich bei einer Konfiguration, bei der die Einspritzmuster des Flüssigtreibstoffs jeweils voneinander abweichen, die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen in der Axialrichtung an der Hauptdüse zwischen den einzelnen Hauptbrennern unterscheiden. Die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen, wie hier angegeben, kann sich auf die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen an der Hauptdüse in Axialrichtung zusätzlich zu der Umfangsrichtung oder das Muster beziehen, in der bzw. dem die Treibstoffeinspritzöffnungen angeordnet sind.
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Ebenso kann sich bei einer Konfiguration, bei der die Einspritzmuster des Flüssigtreibstoffs jeweils voneinander abweichen, die Anzahl der Treibstoffeinspritzöffnungen an der Hauptdüse zwischen den einzelnen Hauptbrennern unterscheiden.
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Ebenso kann sich bei einer Konfiguration, bei der die Einspritzmuster des Flüssigtreibstoffs jeweils voneinander abweichen, der Durchmesser der Treibstoffeinspritzöffnungen an der Hauptdüse zwischen den einzelnen Hauptbrennern unterscheiden.
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Eine einfache, kostengünstige Konfiguration, bei der sich die Treibstoffeinspritzöffnungen an der Hauptdüse zwischen den jeweiligen Hauptbrennern, wie oben beschrieben, in Bezug auf den Winkel der Treibstoffeinspritzung, die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen, die Anzahl der Treibstoffeinspritzöffnungen, den Durchmesser der Treibstoffeinspritzöffnungen und dergleichen unterscheiden, ermöglicht es dem Einspritzmuster für den Flüssigtreibstoff, sich zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern zu unterscheiden, wodurch der Länge und Form der von den Hauptbrennern ausgestoßenen Verbrennungsflammen Varianz gegeben wird. Aufgrund dessen können die Konzentration der Wärmefreisetzungsrateverteilung (Punkt der maximalen Wärmefreisetzung) der Mehrzahl von Verbrennungsflammen an einer Position in der Brennkammer sowie Verbrennungsschwingungen verhindert werden.
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Darüber hinaus können sich gemäß einer jeglichen der oben beschriebenen Konfigurationen die Einspritzmuster, bedingt durch eine Position der Hauptdüse bezüglich der Vormischdüse, welche in mindestens einer Richtung der Gruppe, die aus einer Axialrichtung und einer Umfangsrichtung besteht, variabel ist, unterscheiden.
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Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration kann selbst in dem Fall, dass die Hauptdüsen selbst in Bezug auf den Winkel für die Treibstoffeinspritzung, die Position, die Anzahl, den Durchmesser und ähnliches der Treibstoffeinspritzöffnungen keine Unterschiede aufweisen, die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen dadurch in Axial- und Umfangsrichtung variiert werden, indem die Position der Hauptdüse in mindestens einer Richtung der Gruppe, bestehend aus der Axialrichtung und der Umfangsrichtung, variiert wird. Folglich kann das Einspritzmuster des aus der Mehrzahl von Hauptbrennern eingespritzten Flüssigtreibstoffes auf eine größere Bandbreite an Konfigurationen eingestellt werden.
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Weiterhin umfasst ein Gasturbinentriebwerk gemäß der vorliegende Erfindung die Merkmale des Patentanspruches 7 umfassend einen Verdichter, der Luft komprimiert, die Gasturbinenbrennkammer gemäß der Erfindung, die iim Betrieb einen Treibstoff in der Luft verbrennt, die vom Kompressor vorab verdichtet wurde, und eine Turbine, die durch die Ausdehnung eines Verbrennungsgases angetrieben wird, das aus der Gasturbinenbrennkammer austritt.
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Entsprechend der oben beschriebenen Konfiguration verfügt das Gasturbinentriebwerk, das Flüssigtreibstoff verwendet, über eine verhältnismäßig einfache, kostengünstige Konfiguration, bei der Treibstoffeinspritzöffnungen an den Hauptdüsen variiert werden oder lediglich die Position der Hauptdüsen in Axial- und/oder Umfangsrichtung variiert wird. Als Folge der Konfiguration wird die Konzentrationsverteilung des Treibstoff-Luft-Gemisches (enthält die Druckluft und den Flüssigtreibstoff) zwischen den Hauptbrennern variiert, und die Länge (Form) der von den Hauptbrennern ausgestoßenen Flammen wird variiert. Aufgrund dessen kann die Konzentration der Wärmefreisetzungsrateposition (Wärmefreisetzungsrateverteilung) der Mehrzahl von Einspritzflammen an einer Position in der Axialrichtung der Brennkammer sowie Verbrennungsschwingungen verhindert werden.
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Wie oben beschrieben, kann entsprechend der Gasturbinenbrennkammer und dem Gasturbinentriebwerk, mit der dieses nach der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, eine Gasturbinenbrennkammer, die Flüssigtreibstoff verwendet, die Entwicklung von Verbrennungsschwingungen mit einer einfachen, sehr kostengünstigen Konfiguration verhindern.
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- 1 ist eine Längsschnittansicht in Axialrichtung einer Gasturbinenbrennkammer gemäß einem ersten Beispiel zur Erläuterung von Merkmalen der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine Längsschnittansicht entlang der Linie II-II in 1., welche die Gasturbinenbrennkammer darstellt.
- Bei 3 handelt es sich um eine Längsschnittansicht eines Hauptbrenners und der Verbrennungsflammen sowie eine Hitzeverteilungsgrafik, welche die Auswirkungen des ersten Beispiels illustriert.
- 4 ist eine Längsschnittansicht des Hauptbrenners und der Verbrennungsflammen gemäß einem zweiten Beispiel zur Erläuterung von Merkmalen der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine Frontansicht der Hauptbrenner (Hauptdüsen, Treibstoffeinspritzöffnungen und verlängerte Düsen) einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 6 ist eine Frontansicht der Hauptbrenner (Hauptdüsen, Treibstoffeinspritzöffnungen und verlängerte Düsen) einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 7 ist eine Längsschnittansicht des Hauptbrenners und der Verbrennungsflammen gemäß einem dritten Beispiel zur Erläuterung von Merkmalen der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Gasturbinenbrennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Längsschnittansicht einer Gasturbinenbrennkammer gemäß einem ersten Beispiel zur Erläuterung von Merkmalen der vorliegenden Erfindung.
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Die Gasturbinenbrennkammer 1 kann auf ein Gasturbinentriebwerk (nicht dargestellt) montiert werden. Gasturbinentriebwerke sind, wie bekannt, mit einem Verdichter, der Luft komprimiert, einer Gasturbinenbrennkammer, die einen Treibstoff in der Luft verbrennt, die vom Kompressor vorab verdichtet wurde, und einer Turbine, die durch die Ausdehnung eines Verbrennungsgases angetrieben wird, das aus der Gasturbinenbrennkammer austritt, ausgestattet. Die Energie des Verbrennungsgases, das in der Gasturbinenbrennkammer erzeugt wird, wird dazu verwendet, um die Turbine mit hoher Geschwindigkeit zu drehen, wodurch eine Wellenleistung erzeugt wird, mit der ein Generator oder ähnliches angetrieben wird. Die Gasturbinenbrennkammer 1 der vorliegenden Erfindung kann als die oben beschriebene Gasturbinenbrennkammer verwendet werden.
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Die Gasturbinenbrennkammer 1 weist eine typische Konfiguration einer Vormischbrennkammer auf, wobei die Gasturbinenbrennkammer 1 mit einem Brennkammergehäuse 2, das dem äußeren Umfang der Gasturbinenbrennkammer 1 entspricht, einem Zündbrenner 3, der entlang einer Hauptachse C des Brennkammergehäuses 2 ausgerichtet ist, und einer Mehrzahl (beispielsweise 8) von Hauptbrennern 4, die in gleichmäßigen Abständen angebracht sind, um den Umfang des Zündbrenners 3 zu umschließen, ausgestattet ist. Es ist zu beachten, dass die von dem Kompressor (nicht dargestellt) verdichtete Druckluft A durch das Innere der Gasturbinenbrennkammer 1 (Brennkammergehäuse 2) von der linken Seite zur rechten Seite in Bezug auf 1 strömt.
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Der Zündbrenner 3 ist mit einer stabförmigen Zünddüse 5 an einem zentralen axialen Abschnitt des Zündbrenners 3 ausgestattet. Die Spitze der Zünddüse 5 auf der nachgelagerten Seite ist mit einer Mehrzahl von Treibstoffeinspritzöffnungen 6 ausgestattet. Darüber hinaus ist ein im Wesentlichen trichterförmiges Zünddüsengehäuse 7 so angebracht, dass der Umfang der Zünddüse 5 mit einer dazwischen belassenen Lücke umschlossen wird. Der Durchmesser des Zünddüsengehäuses 7 nimmt stromabwärts zur Strömungsrichtung der Druckluft A langsam ab.
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Eine Mehrzahl von flügelförmigen Zünddrallkörpern 8 ist auf der Innenfläche des Zünddüsengehäuses 7 angebracht und erstreckt sich in Richtung der Seite des Zünddüsengehäuses 7. Die Zünddrallkörper 8 haben einen Neigungswinkel, der in der jeweils gleichen Richtung geneigt ist. Folglich wird der Strom der Druckluft A, die durch das Innere des Zünddüsengehäuses 7 strömt, zu einer Zirkulationsströmung (einer Drallströmung).
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Darüber hinaus wird ein Zündkegel 9 bereitgestellt, der den Umfang der Zünddüse 5 umschließt. Der Zündkegel 9 ist im Wesentlichen trichterförmig. Sein Durchmesser wird stromabwärts in Bezug auf den Druckluftstrom A größer. Das nachgeordnete Endstück des Zünddüsengehäuses 7 ist zu einem kleinen Teil in ein vorgeordnetes Endstück des Zündkegels 9 mit einer in der Radialrichtung dazwischen belassenen Lücke eingeführt.
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Ein Flüssigtreibstoff F1 wird über die Treibstoffeinspritzöffnungen 6 an der Zünddüse 5 in die umlaufende Strömung (Drallströmung) der Druckluft A eingespritzt, die durch das Innere des Zünddüsengehäuses 7 strömt. Da die Druckluft A zirkuliert, wird die Mischung der Druckluft A mit dem Flüssigtreibstoff F1 beschleunigt. Auf diese Weise wird ein Treibstoff-Luft-Gemisch M1 dadurch erzeugt, dass der Flüssigtreibstoff F1 mit der Druckluft A im Zündbrenner 3 vorgemischt wird.
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Das Treibstoff-Luft-Gemisch M1 wird durch eine Zündflamme (nicht dargestellt) beim Einspritzen aus dem Zündkegel 9 in Richtung eines Verbrennungsbereichs (nicht dargestellt) entzündet, und es findet eine Diffusionsverbrennung im Zündkegel 9 oder in einem diesem nachgeordneten Bereich statt. Es ist zu beachten, dass das Treibstoff-Luft-Gemisch M1, das von dem Zündbrenner 3 eingespritzt wird, sowie die Verbrennungsflammen davon an einer Diffusion in einer zentrifugalen Richtung durch den Zündkegel 9 gehindert werden. Folglich wird eine Störung der Verbrennungsflammen eines Treibstoff-Luft-Gemischs M2 aus den unten beschriebenen Hauptbrennern 4 verhindert.
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Nun zu der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 gelangend, ist jeder Hauptbrenner 4 mit einer stabförmigen Hauptdüse 11 an einer zentralen Axialposition davon ausgestattet. Jede der Hauptdüsen 11 hat eine sich verjüngende konische Form mit einem Endstück, das an der dem Strom der Druckluft A nachgeordneten Seite zur Spitze hin schmäler wird. Darüber hinaus wird eine Vormischdüse 12 bereitgestellt, die den Umfang der Hauptdüse 11 umschließt. Die Vormischdüse 12 ist im Wesentlichen zylindrisch geformt und hat eine sich erweiternde glockenförmig aufgeweitete Form an einem Eingang an der der Vormischdüse 12 vorgelagerten Seite. Ein Ausgang an der nachgeordneten Seite der Vormischdüse 12 ist mit einer verlängerten Düse 13 verbunden. Ein Endstück der verlängerten Düse 13 an der Vormischdüse 12 ist kreisförmig. Die Öffnung des Endstückes an der Ausgangsseite der verlängerten Düse 13 ist jedoch im Wesentlichen fächerförmig, wobei die Form der Innenfläche des Brennkammergehäuses 2 und der Außenoberfläche des Zündkegels 9 folgt, wie in 2 dargestellt.
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Eine Mehrzahl von flügelförmigen Hauptdrallkörpern 14 (siehe 1) erstreckt sich radial von der Außenoberfläche der Hauptdüse 11 und ist an der Innenfläche der Vormischdüse 12 befestigt. Die Hauptdüse 11 ist im zentralen Abschnitt der Vormischdüse 12 über die Hauptdrallkörper 14 befestigt. Jeder der Hauptdrallkörper 14 hat einen Neigungswinkel, der in der jeweils gleichen Richtung geneigt ist. Folglich tritt eine umlaufende Strömung (Drallströmung) in der gleichen Drehrichtung in dem Druckluftstrom A auf, der durch das Innere einer jeden der Vormischdüsen 12 strömt.
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Die Hauptdüse 11 ist mit einer Mehrzahl von Treibstoffeinspritzöffnungen 15 auf der kreisförmigen konischen Außenoberfläche ungefähr auf der Spitze der Hauptdüse 11 ausgestattet. Ein Flüssigtreibstoff F2 wird durch die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 eingespritzt. Der Flüssigtreibstoff F2 wird geneigt in Richtung auf eine Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 eingespritzt. Als Ergebnis des Auftreffens des Flüssigtreibstoffs F2 auf die Innenfläche 13a wird der Flüssigtreibstoff F2 atomisiert und mit der Druckluft A vermischt. Die Mischung der Druckluft A und des Flüssigtreibstoffs F2 wird dadurch beschleunigt, dass die Druckluft A in der Vormischdüse 12 zirkuliert.
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Auf diese Weise wird ein Treibstoff-Luft-Gemisch M2 dadurch erzeugt, dass der Flüssigtreibstoff F2 mit der Druckluft A in den Hauptbrennern 4 vorgemischt wird. Das Treibstoff-Luft-Gemisch M2 wird dann in Richtung des Verbrennungsbereichs (nicht dargestellt) über die verlängerte Düse 13 eingespritzt, wobei das Treibstoff-Luft-Gemisch M2 durch die Verbrennungsflammen des Treibstoff-Luft-Gemischs M1 entzündet wird, das über den Zündbrenner 3 eingespritzt wird. Als Ergebnis entstehen Verbrennungsflammen FA1, FA2. Es ist zu beachten, dass die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 nicht an den Hauptdüsen 11 vorgesehen sein müssen und auch beispielsweise am Rand der Hauptdüsen 11 angebracht sein können, beispielsweise auf der Flügeloberfläche der Hauptdrallkörper 14.
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Die Turbine (nicht dargestellt) des Gasturbinentriebwerks wird durch den Expansionsdruck des Verbrennungsgases der Verbrennungsflammen angetrieben, die vom Zündbrenner 3 sowie von den Hauptbrennern 4 ausgestoßen werden. Folglich wird eine Leistung erzeugt, und der koaxial auf der Hauptwelle der Turbine angebrachte Verdichter wird angetrieben und liefert die Druckluft A.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist das Einspritzmuster für den Flüssigtreibstoff F2, der über die an der Hauptdüse 11 vorgesehenen Treibstoffeinspritzöffnungen 15 in Richtung der Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 eingespritzt wird, so eingestellt, dass es sich zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 (Hauptdüsen 11) unterscheidet.
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Insbesondere unterscheidet sich ein Einspritzwinkel für den Flüssigtreibstoff F2 über die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 zwischen den einzelnen Hauptbrennern 4 (Hauptdüsen 11). Beispielsweise ist ein Winkel für die Treibstoffeinspritzung θ2 der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 an der Hauptdüse 11 in 1 auf der Unterseite auf einen spitzeren Winkel eingestellt als ein Treibstoffeinspritzwinkel θ1 der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 an der Hauptdüse 11 auf der Oberseite. Folglich variiert die Position, an welcher der Flüssigtreibstoff F2 die Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 trifft, zwischen dem Treibstoffeinspritzwinkeln θ1 und θ2, wie in der Längsschnittdarstellung in der unteren Hälfte von 3 dargestellt. Dies ist nämlich der Unterschied bei den Einspritzmustern.
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Wie in 3 dargestellt, trifft bei einem Treibstoffeinspritzwinkel θ1 der eingespritzte Flüssigtreibstoff F2 auf die Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 und atomisiert an einer Stelle, die im Verhältnis dem Strom der Druckluft A vorgelagert ist. Infolgedessen wird das Treibstoff-Luft-Gemisch M2 früher entzündet und mit einer Länge L1 ist die Verbrennungsflamme FA1 verhältnismäßig kurz. Wenn der Winkel der Treibstoffeinspritzung bei θ2 liegt, der spitzer ist als θ1, trifft der eingespritzte Flüssigtreibstoff F2 auf die Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 an einer im Verhältnis nachgeordneten Stelle. Infolgedessen wird die Entzündung verzögert und eine Länge L2 für die Verbrennungsflamme FA2 ist verhältnismäßig lang.
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Die Grafik in der oberen Hälfte von 3 stellt die Wärmeverteilung der Verbrennungsflammen FA1, FA2 in dem Brennkammergehäuse 2 in dessen Axialrichtung dar. Wie in 3 dargestellt, unterscheiden sich die Axiallänge der Wärmefreisetzungsrateverteilungen HD1 und HD2 und die Axialposition der Punkte für die maximale Wärmefreisetzung Hmax1 und Hmax2 zwischen der Verbrennungsflamme FA1, die dann gebildet wird, wenn der Winkel für die Treibstoffeinspritzung durch die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 bei θ1 liegt, und der Verbrennungsflamme FA2, die dann geformt wird, wenn der Winkel für die Treibstoffeinspritzung bei θ2 liegt.
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Es gibt mindestens zwei Winkelarten für die Treibstoffeinspritzung durch die Treibstoffeinspritzöffnungen 15, θ1 und θ2. Mögliche Anordnungen für selbige umfassen eine Unterteilung von acht Vormischdüsen 12 (Hauptdüsen 11) in zwei Gruppen sowie die abwechselnde Anordnung der Düsen der beiden Gruppen, oder eine symmetrische Anordnung von jeweils vier Gruppen, wobei jede eine einer jeden der Düsen, die den Treibstoffeinspritzwinkel θ1 und den Treibstoffeinspritzwinkel θ2 aufweisen, enthält, oder eine beliebige Anordnung der Düsen. Es kann auch mehr als zwei Winkelarten für die Treibstoffeinspritzung θ1 und θ2 geben.
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Die wie oben beschrieben konfigurierte Gasturbinenbrennkammer 1 ermöglicht eine Variation der Konzentrationsverteilung des Treibstoff-Luft-Gemisches M2 (enthält die Druckluft A und den Flüssigtreibstoff F2) zwischen den Hauptbrennern 4 aufgrund des Einspritzmusters für den Flüssigtreibstoff F2, die sich zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 unterscheiden. Folglich werden Verbrennungsflammen FA1, FA2 aus den Hauptbrennern 4 ausgestoßen, die in der Länge L1, L2 und der Form variieren. Aufgrund dessen können eine Konzentration der Wärmefreisetzungsrateverteilung HD1, HD2 (der Punkt der maximalen Wärmefreisetzung Hmax1, Hmax2) der Mehrzahl von Verbrennungsflammen FA1, FA2 an einer Position in der Axialrichtung des Brennkammergehäuses 2 sowie Verbrennungsschwingungen der Gasturbinenbrennkammer 1 wirksam verhindert werden.
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Als eine Konfiguration, bei der sich das Einspritzmuster des Flüssigtreibstoffs F2 zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 unterscheidet, verfügt das vorliegende Beispiel über eine einfache, sehr kosteneffiziente Konfiguration, bei der sich die Einspritzwinkel θ1, θ2 des Flüssigtreibstoffs F2 aus den Treibstoffeinspritzöffnungen 15 an den Hauptdüsen 11 zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 unterscheiden. Als Ergebnis dieser Konfiguration können Verbrennungsschwingungen dadurch unterdrückt werden, dass unterschiedliche Einspritzmuster für den Flüssigtreibstoff F2 zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 bestehen.
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Darüber hinaus tritt durch die Beibehaltung einer gleichen Form der Strömungspfade der Druckluft A zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 keine Änderung des Formdruckverlustes der Luft und somit keine Unwucht in der Luftverteilung ein. Folglich ist die NOx-Entwicklung aufgrund der vergrößerten durchschnittlichen Flammengeschwindigkeit an den bestimmten Hauptbrennern 4 mit minimalem Luftverbrauch unterdrückt und die durch die Gasturbinenbrennkammer 1 insgesamt erzeugte NOx-Menge kann reduziert werden.
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Es ist zu beachten, dass in dem oben beschriebenen Beispiel die Hauptdüse 11 jedes Hauptbrenners 4 über vier Treibstoffeinspritzöffnungen 15 verfügt, die bei Frontansicht, wie in 2 dargestellt, kreuzförmig, jeweils in einem Abstand von 90° zueinander, angeordnet sind. Diese Konfiguration ist jedoch nicht zwingend, und es kann eine andere Anzahl von Treibstoffeinspritzöffnungen 15 geben und/oder die Treibstoffeinspritzöffnungen können an anderen Stellen (Abstände) angeordnet sein.
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4 ist eine Längsschnittansicht des Hauptbrenners 4 und der Verbrennungsflammen gemäß dem zweiten Beispiel zur Erläuterung von Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Als eine Konfiguration, bei der sich das Einspritzmuster des Flüssigtreibstoffs F2, der über die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 in Richtung der Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 eingespritzt wird, zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 unterscheidet, unterscheiden sich in dem vorliegenden Beispiel die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 an der Hauptdüse 11 der Hauptbrenner 4 in Axialrichtung.
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Beispielsweise sind die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 an den Hauptdüsen 11 an drei Positionen P1, P2, P3 in Axialrichtung ausgerichtet. Die Nähe zur Spitze der Hauptdüse 11 in aufsteigender Richtung ist P1 → P2 → P3. Eine Mehrzahl von Hauptbrennern 4, die mit Hauptdüsen 11, welche die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 aufweisen, ausgestattet sind, unterscheiden sich in ihrer Axialrichtung insofern, als sie beliebig oder in Gruppen in dem Brennkammergehäuse 2 angeordnet sind.
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In Bezug auf die Positionen P1, P2, P3 in Axialrichtung der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 trifft der über eine Position näher der Spitze der Hauptdüse 11 eingespritzte Flüssigtreibstoff F2 auf die Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 und wird an einer weiter nachgeordneten Position im Hinblick auf den Druckluftstrom A atomisiert. Folglich wird die Entzündung des Treibstoff-Luft-Gemisches M2 verzögert und die Verbrennungsflammen FA1, FA2, FA3 bilden jeweils die Längen L1, L2, L3.
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Auf diese Weise kann bei einer besonders einfachen, sehr kosteneffektiven Konfiguration, bei der die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 auf den Hauptdüsen 11 in Axialrichtung variiert, wie bei dem ersten Beispiel, die Wärmefreisetzungsrateverteilung (Punkt der maximalen Wärmefreisetzung) der Mehrzahl von Verbrennungsflammen FA1, FA2, FA3 daran gehindert werden, sich an einer Position in Axialrichtung des Brennkammergehäuses 2 zu konzentrieren, und die Verbrennungsschwingungen der Gasturbinenbrennkammer 1 können unterdrückt werden.
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Bei 5 handelt es sich um eine Frontansicht der Hauptbrenner 4 (Hauptdüsen 11, Treibstoffeinspritzöffnungen 15 und verlängerte Düsen 13) der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als eine Konfiguration, bei der sich das Treibstoffeinspritzmuster zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 (Hauptdüsen 11) in der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet, unterscheiden sich die Position in Umfangsrichtung sowie das Muster für die Verteilung der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 zwischen den Hauptdüsen 11. Jede der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 kann den gleichen Durchmesser haben, oder dieser kann variieren.
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Beispielsweise sind in dem ersten Beispiel vier Treibstoffeinspritzöffnungen 15 an jeder der Hauptdüsen 11 der Hauptbrenner 4 bei einer Frontansicht, wie in 2 dargestellt, in kreuzförmiger Anordnung, 90° voneinander entfernt, angebracht. In der ersten Ausführungsform sind jedoch die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 an jeder der Hauptdüsen 11 der angrenzenden Hauptbrenner 4 ausgeformt. Die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 sind in unregelmäßigen Abständen an der Spitze der konischen Oberfläche der Hauptdüsen 11 in Umfangsrichtung R ausgerichtet. Folglich unterscheidet sich der Bereich, in dem der Flüssigtreibstoff F2 über die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 auf die Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 trifft, zwischen den einzelnen Hauptbrennern 4.
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Auf diese Weise kann bei einer einfachen, kosteneffektiven Konfiguration, bei der die Positionen der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 auf den Hauptdüsen 11 in Umfangsrichtung variieren, wie bei dem ersten und zweiten Beispiel, die Wärmefreisetzungsrateverteilung (Punkt der maximalen Wärmefreisetzung) der von den Hauptbrennern 4 ausgestoßenen Verbrennungsflammen daran gehindert werden, sich an einer Position in Axialrichtung des Brennkammergehäuses 2 zu konzentrieren, und die Verbrennungsschwingungen der Gasturbinenbrennkammer können unterdrückt werden.
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Bei 6 handelt es sich um eine Frontansicht der Hauptbrenner 4 (Hauptdüsen 11, Treibstoffeinspritzöffnungen 15 und verlängerte Düsen 13) der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als eine Konfiguration, bei der sich das Treibstoffeinspritzmuster zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 (Hauptdüsen 11) in der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet, unterscheiden sich die Anzahl und der Durchmesser der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 zwischen den Hauptdüsen 11.
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Beispielsweise im Gegensatz zur Hauptdüse 11 eines ersten angrenzenden Hauptbrenners 4, an dem drei Treibstoffeinspritzöffnungen 15a mit gleichem Durchmesser in unregelmäßigen Abständen angebracht sind, ähnlich der Konfiguration der ersten Ausführungsform (siehe 5), ist die Hauptdüse 11 eines zweiten angrenzenden Hauptbrenners 4 mit vier Treibstoffeinspritzöffnungen 15b, 15c, 15d, 15e in unregelmäßigen Abständen ausgestattet. In dieser Gruppe verfügt 15b über einen Durchmesser, der größer ist als der von 15a. Die übrigen drei der Gruppe, 15c, 15d, 15e weisen einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der von 15a. Folglich unterscheidet sich der Bereich, in dem der Flüssigtreibstoff F2, der über die Treibstoffeinspritzöffnungen 15a bis 15e eingespritzt wird, auf die Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 trifft, zwischen den einzelnen Hauptbrennern 4 in ähnlicher Weise wie in der ersten Ausführungsform. Auch die eingespritzte Menge ist unterschiedlich.
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Auf diese Weise kann bei einer einfachen, kosteneffektiven Konfiguration, bei der sich die Anzahl und der Durchmesser der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 auf den Hauptdüsen 11 voneinander unterscheiden, wie bei dem ersten und zweiten Beispiel und der ersten Ausführungsform, die Wärmefreisetzungsrateverteilung (Punkt der maximalen Wärmefreisetzung) der Mehrzahl von Verbrennungsflammen daran gehindert werden, sich an einer Position in Axialrichtung des Brennkammergehäuses 2 zu konzentrieren und die Verbrennungsschwingungen der Gasturbinenbrennkammer können unterdrückt werden.
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7 ist eine Längsschnittansicht des Hauptbrenners 4 und der Verbrennungsflammen gemäß dem dritten Beispiel zur Erläuterung von Merkmalender vorliegenden Erfindung. Als eine Konfiguration, bei der sich die Treibstoffeinspritzmuster zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 (Hauptdüsen 11) in dem vorliegenden Beispiel unterscheiden, ist die Position der Hauptdüse 11 in Verhältnis zur Vormischdüse 12 in mindestens einer Richtung der Gruppe, die aus der Axialrichtung L und der Umfangsrichtung R besteht, variabel.
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Insbesondere kann die Hauptdüse 11 von der Befestigung an der Vormischdüse 12 befreit werden und erneut an der Vormischdüse 12 befestigt werden, nachdem sie in Axialrichtung L und/oder Umfangsrichtung R verlagert wurde. Folglich kann die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 im Verhältnis zur Vormischdüse 12 und der verlängerten Düse 13 frei variiert werden.
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Beispielsweise kann die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 in Axialrichtung L von P1 zu P2 zu P3 stufenlos eingestellt werden. Folglich ändern sich die entsprechenden Verbrennungsflammen FA1, FA2, FA3 auf die jeweiligen Längen L1, L2, L3 ähnlich wie bei dem zweiten Beispiel (siehe 4), wenn die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 auf die Positionen P1, P2, P3 gesetzt werden.
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Darüber hinaus kann auch die Position in Umfangsrichtung R der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 auf den Hauptdüsen 11 frei im Bereich von 360° eingestellt werden. Folglich kann der Bereich, in dem der Flüssigtreibstoff F2, der über die Treibstoffeinspritzöffnungen 15 eingespritzt wird, auf die Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 trifft, so eingestellt werden, dass er sich zwischen den einzelnen Hauptbrennern 4 in ähnlicher Weise wie in der ersten Ausführungsform (siehe 5) und der zweiten Ausführungsform (siehe 6) unterscheidet.
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Auf diese Weise verfügt das vorliegende Beispiel über eine Konfiguration, bei der das Treibstoffeinspritzmuster sich zwischen der Mehrzahl von Hauptbrennern 4 (Hauptdüsen 11) aufgrund der Position der Hauptdüsen 11 im Hinblick auf die Variabilität der Vormischdüsen 12 in Axial- und Umfangsrichtung unterscheidet.
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Folglich kann selbst in dem Fall, dass die Hauptdüsen 11 selbst in Bezug auf den Winkel für die Einspritzung, die Position, die Anzahl, den Durchmesser und ähnliches der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 keine Unterschiede aufweisen, die Position der Treibstoffeinspritzöffnungen 15 in Bezug auf die Innenfläche 13a der verlängerten Düse 13 frei variiert werden, indem die Position der Hauptdüse 11 in mindestens einer Richtung der Gruppe, bestehend aus der Axialrichtung und der Umfangsrichtung, variiert wird.
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Folglich kann das Einspritzmuster für den Flüssigtreibstoff F2, der über die Mehrzahl von Hauptbrennern 4 auf eine größere Bandbreite von Konfigurationen eingestellt werden kann, wobei ermöglicht wird, dass die Wärmefreisetzungsrateverteilung (Punkt der maximalen Wärmefreisetzung) der Mehrzahl von Verbrennungsflammen FA1, FA2, FA3 und so weiter, daran gehindert wird, sich an einer Position in Axialrichtung des Brennkammergehäuses 2 zu konzentrieren, und die Verbrennungsschwingungen der Gasturbinenbrennkammer unterdrückt werden.
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Wie oben beschrieben, verfügen die Gasturbinenbrennkammer und das mit dieser versehene Gasturbinentriebwerk gemäß der vorliegende Erfindung, wobei das Gasturbinentriebwerk Flüssigtreibstoff nutzt, über eine verhältnismäßig einfache und kostengünstige Konfiguration, bei der die Treibstoffeinspritzöffnungen 15, die an den Hauptdüsen 11 vorgesehen sind, variiert werden, oder nur die Position der Hauptdüsen 11 in Axialrichtung und/oder Umfangsrichtung variiertwird. Als Folge dieser Konfiguration wird die Konzentrationsverteilung des Treibstoff-Luft-Gemisches M2 (enthält die Druckluft A und den Flüssigtreibstoff F2) zwischen den einzelnen Hauptbrennern 4 variiert, und die Länge (Form) der von den Hauptbrennern 4 ausgestoßenen Flammen wird variiert.
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Aufgrund dessen kann die Konzentration der Wärmefreisetzungsrateposition (Wärmefreisetzungsrateverteilung) der Mehrzahl von Einspritzflammen an einer Position in der Axialrichtung des Brennkammergehäuses 2 sowie Verbrennungsschwingungen verhindert werden.
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Es ist zu beachten, dass sich die vorliegende Erfindung nicht nur auf die Konfigurationen der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise können die oben beschriebenen Ausführungsformen sowie die Beispiele miteinander verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasturbinenbrennkammerr
- 2
- Brennkammergehäuse
- 3
- Zündbrenner
- 4
- Hauptbrenner
- 5
- Zünddüse
- 11
- Hauptdüse
- 12
- Vormischdüse
- 13
- Verlängerte Düse
- 13a
- Innenfläche der verlängerten Düse 13
- 14
- Hauptdrallkörper
- 15, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e
- Treibstoffeinspritzöffnungen
- A
- Druckluft
- F1, F2
- Flüssigtreibstoff
- M1, M2
- Treibstoff-Luft-Mischung
- P1, P2, P3
- Position der Treibstoffeinspritzöffnungen in Axialrichtung
- θ1, θ2
- Einspritzwinkel für den Flüssigtreibstoff F2
