DE69519849T2

DE69519849T2 - Brennstoffdüse mit tangentialer einspritzung

Info

Publication number: DE69519849T2
Application number: DE69519849T
Authority: DE
Inventors: S. Hu; B. Mcvey; J. Rosfjord; C. Schlein; S. Snyder
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1994-02-24
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2015-02-24
Also published as: JP3662023B2; EP0744011A1; KR970701331A; WO1995023316A1; DE69519849D1; US5461865A; JPH09509733A; EP0744011B1; KR100320164B1

Description

Die Erfindung betrifft die Verbrennung unter Erzeugung von Niedrig- NOx und insbesondere die Verbrennung von Flüssigkraftstoff.
Die Verbrennung bei hohen Temperaturen führt zur Bildung von NOx oder Stickoxiden wegen der Verbindung von Sauerstoff mit Stickstoff bei hoher Temperatur. Das ist ein notorischer Schadstoff, und es wird viel Aufwand betrieben, um die Bildung von NOx zu verringern.
Heutige Gasturbinenmaschinen verwenden Verbrennungssysteme, bei denen der Kraftstoff direkt in das vordere Ende der Brennkammereinrichtung eingespritzt wird. Die sich ergebende Kraftstoff-Luftmischung muß eine stabile effiziente Verbrennung sicherstellen. Wo keine Anstrengungen unternommen werden, um diese Strömungen vorzuvermischen, gibt es eine breite Streuung des Kraftstoff/Luftgemisch-Verhältnisses in der Mischung. Begrenzte Bereiche mit Mischungen nahe dem stoichiometrischen Verhältnis erzeugen Hochtemperatur-Verbrennungsprodukte, die die hohen NOx- Niveaus erzeugen. In dem Bemühen, die NOx-Emissionen der Brennkammereinrichtungen zu verringern, sind fortgeschrittene Konstruktionen auf das Vorvermischen von Kraftstoff und Luft vor deren Einbringen in die Brennkammereinrichtung fokussiert. Auf diese Weise werden sowohl das Auftreten von Hochtemperaturbereichen in der Brennkammereinrichtung als auch die Spitzentemperatur darin verringert. Als Folge ist die NOx-Bildung minimiert.
Eine derartige Strategie kann bei gasförmigen Kraftstoffanlagen leichter ausgeführt werden da der Phasenübergang des Kraftstoffs nicht erforderlich ist, und der gesamte Kraftstoff/Luft-Mischvorgang kann beschleunigt sein. Bei der Verwendung von Flüssigkraftstoff existiert inhärent ein hohes Kraftstoff/Luft-Verhältnis an der Flüssigkeitströpfchen-Grenzfläche. Der Weg muß deshalb adäquatere Niveaus von Kraftstoffzerstäubung und -verdampfung gleichzeitig mit dem Kraftstoffverteilungsvorgang und dem Kraftstoffmischvorgang erzielen. Der Weg, der sich auf das Vorvermischen von Kraftstoff und Luft verläßt, um die Spitzentemperaturen zu senken, ist die "trockene" NOx-Kontrolle, die im Gegensatz zu der "nassen" NOx-Kontrolle steht, bei der Dampf oder Wasser in die Düse injiziert wird, um die Flammentemperatur zu senken.
Es ist wünschenswert, daß die Verbrennung außerhalb der Kraftstoffeinspritzdüse ohne einen Flashback oder ein Rückzirkulieren in die Düse aufrecht erhalten wird. Der Flüssigkraftstoff sollte vor dem Abgeben in die Brennkammereinrichtung bei hoher Leistung verdampft sein. Wo die Flüssigkraftstoffdüse mit einer Gasdüse kombiniert ist, sollte die gute Gas-Leistung der Gasverbrennung nicht beeinträchtigt werden. Es ist wünschenswert, daß eine gleichförmige Mischung vor dem Entzünden erzielt wird, weil ein Bereich, der zu reich ist, zu einer hohe NOx-Erzeugung führt.
WO-A-93/17279 beschreibt einen Brenner mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Brenner der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß er eine Flüssigkraftstoff- Einspritzeinrichtung zum Zerstäuben von Kraftstoff in einer Injektionszone aufweist, die als ein ringförmiges Volumen konzentrisch zu dem Zentralkörper definiert ist, welches von imaginären Flächen bei 30% und 80% des Abstands von der Zentralkörperoberfläche zu dem Durchmesser "D" begrenzt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine im wesentlichen zylinderförmige Brennerkammer aus mehreren Teilzylindern gebildet, wobei die Achse des jeweiligen Zylinders von der Achse des anderen Zylinders versetzt ist. Ein Schlitz ist zwischen den Wänden von benachbarten Teilzylindern gebildet, wobei dieser Schlitz eine Länge und eine Breite hat und die Schlitzwand tangential zu der Kammerwand ist. Eine die Verbrennung unterstützende Luft wird durch diesen Schlitz zugeführt.
Für eine Zwei-Kraftstoffdüse ist die Gasverteilungsleitungsanordnung dem Schlitz benachbart angeordnet mit einer Mehrzahl von axial beabstandeten Öffnungen zum Zuführen von Gas zu der Luftströmung, wenn diese in den Schlitz eintritt.
Ein konischer Körper ist in der Kammer an der Achse der Kammer angeordnet mit dem Basisbereich des konischen Körpers an dem strömungsaufwärtigen Ende der Kammer und dem Spitzenbereich in Richtung zu dem Auslaßende der Kammer. Es ist deshalb ein Sammelraum zwischen dem konischen Körper und der zylinderförmigen Kammer etabliert.
Eine Injektionszone ist als ein ringförmiges Volumen in diesem Sammelraum konzentrisch zu dem konischen Körper definiert, welches von imaginären Konusbereichen bei 30% und bei 80% des Abstands von der Oberfläche des konischen Körpers zu dem Durchmesser "D" begrenzt ist, wobei dieser Durchmesser der Durchmesser des Auslasses der Kammer ist. Sie sind auch von Ebenen begrenzt, die axial von der axialen Mitte des Einlaßschlitzes bei einem Abstand von plus und minus 10% von der axialen Länge des Einlaßschlitzes angeordnet sind. Es gibt Einrichtungen zum Injizieren von Flüssigkraftstoff zum Zerstäuben in der Injektionszone.
Der Flüssigkraftstoff kann in der Injektionszone zerstäubt werden durch das Anordnen der Spritzplatte in der Zone und das Lenken einer Flüssigkraftstoffströmung gegen diese Spritzplatte. Er kann in der Injektionszone zerstäubt werden, indem man Kraftstoffleitungen mit einer Sprühdüse an dem Ende einer jeden Leitung in diese Zone ragen läßt. Der Kraftstoff sollte bis auf einen nach dem "Sauter"-Verfahren bestimmten mittleren Durchmesser von weniger als 80 u und vorzugsweise etwa 40 u Teilchengröße zerstäubt werden.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbinenmaschine und einer Brennkammereinrichtung;
Fig. 2 ist eine axiale Schnittansicht einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die entlang von 3-3 von Fig. 2 genommen ist;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die die Kraftstoff-Injektionszone zeigt; und
Fig. 5 ist eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform zu der von Fig. 2.
Die schematische Darstellung der Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenmaschine mit der Verdichtereinrichtung, welche die verdichtete Luft der Brennkammereinrichtung 12 zuführt. Gas durch die Gaszuführleitung 14 oder Öl durch die Ölzuführleitung 16 wird der Brennkammereinrichtung zur Verbrennung zugeführt. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte strömen durch die Turbine 18.
Es wird auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen. Eine im wesentlichen zylinderförmige Brennerkammer 20 ist von zwei Teilzylindern 22, deren Achsen zueinander versetzt sind, gebildet. Einlaß-Luftströmungsschlitze 24 werden dadurch gebildet mit einer Höhe "H" und einer Breite "W". Diese Schlitze sind in der Wand 26 angeordnet, wobei jeder Schlitz tangential zu der inneren Wand 28 der im wesentlichen zylinderförmigen Kammer ist. Diese Teilzylinder sind an einer Grundplatte 30 mit einer Öffnung 32 mit dem Durchmesser "D" für den Auslaß der Luft/Kraftstoffmischung befestigt. Dieser Durchmesser wird von einer Tangentenlinie an die inneren Bereiche 34 der Teilzylinder etabliert, und dieser Durchmesser ist relevant für die nachfolgend beschriebenen Verhältnisse, obwohl die Kraftstoffdüse mit einem verringerten Durchmesser an dem Abgabeende fortgesetzt sein kann.
Die die Verbrennung unterstützende Luftströmung 36 tritt durch die Schlitze ein, welche die Verwirbelungswirkung in der Kammer 20 herstellen. Wenn Gas als ein alternativer Kraftstoff zugeführt wird, gelangt das Gas durch die Leitung 14 zu der Verteileranordnung 38 und tritt durch die Kraftstofföffnung 40. Eine Gaseinspritzdüse dieser Art ist in US-A-5,307,634 beschrieben.
Ein konischer Zentralkörper 42 ist axial in der Kammer zentriert, wobei sein Basisbereich 44 an dem strömungsaufwärtigen Ende und sein Spitzenbereich 46 an dem strömungsabwärtigen Ende angeordnet ist. Obwohl er hier als ein idealer Kegelstumpf gezeigt und beschrieben ist, kann er Oberflächen haben, die nicht linear sondern parabelförmig sind. Seine Bedeutung liegt darin, daß er den Strömungsquerschnitt der ankommenden Luft, welche durch die Kammer 20 strömt, so modifiziert, daß der Strömungsquerschnitt die Strömung in einer Weise einzwängt, daß eine durchschnittliche Axialgeschwindigkeit erzeugt wird, die bei einem ziemlich gleichförmigen Niveau beibehalten ist.
Eine Spritzplatte oder mehrere Spritzplatten 48 sind in der Kammer 20 mit gebräuchlichen Mitteln abgestützt, wobei die Abstützung der Luftströmung ein minimales Hindernis entgegensetzen soll. Flüssigkraftstoff wird durch Leitungen 16 durch die Öffnungen 50 gespritzt und auf die Spritzplatten 48 gerichtet. Flüssigkraftstoff wird auf die Spritzplatte in einer Weise gespritzt, welche eine Kraftstofffilmbildung über der Oberfläche fördert. Die wirbelnde Luft- Scher-Strömung atomisiert den Flüssigkraftstoff, welcher anschließend verdampft und sich mit der Luft vermischt.
Es wurden Tests durchgeführt, um das Strömungsmuster festzulegen, das in der Brennerkammer und um das konische Element auftritt. Man hat herausgefunden, daß Kraftstoff, der an einem strömungsaufwärtigen Ort 52 oder einem Ort 54 in der Nähe der Oberfläche eingebracht wird, jeweils dazu tendiert, auf den Strömungsbereich, der dem konischen Körper benachbart ist, begrenzt zu sein. Das führt zu einer Kraftstoffkonzentration bei der Mitte der Austrittsebene. Andererseits tendiert Kraftstoff, der bei einem strömungsabwärtigen Ende 46 eingebracht wird, sich um den Umfang der Austrittsebene zu konzentrieren. Jegliche lokale Konzentration von Kraftstoff führt zu einer hohen NOx-Bildung. Der gewünschte Ort für die Kraftstoffeinspritzung wäre einer, der eine gleichförmige Vermischung der Luft und des Kraftstoffs an der Austrittsebene fördert, wo die Verbrennung stattfindet.
Diese Tests haben es uns erlaubt, eine Einspritzzone 58 zu definieren, an deren Ort der Kraftstoff zerstäubt werden sollte. Diese Zone ist radial begrenzt von einer ersten imaginären konischen Oberfläche 60, die bei 30% des Abstands von der Oberfläche 62 des Konus zu der Oberfläche, die von einem Durchmesser "D" etabliert ist, angeordnet ist. Eine zweite imaginäre konische Fläche 64 bildet die äußere Grenze der radialen Abmessung, wobei das bei 80% des Abstands zwischen der Oberfläche 62 und dem Durchmesser "D" ist.
Die axialen Grenzen dieser Zone werden von einer ersten Ebene 66 etabliert, wobei der Ort dieser Ebene auf die Länge "L" bezogen ist, indem er sich bei 10% der Länge strömungsaufwärts von der Mitte befindet. Eine strömungsabwärtige Ebene 68 setzt die andere Grenze, wobei diese 20% strömungsabwärts des Mittelpunkts der Einlaßöffnung ist.
Man hat festgestellt, daß es zu einer kräftigen axialen Scherung in dieser Injektionszone kommt, welche das Vermischen und Verdampfen des Flüssigkraftstoffs fördert und welche den Kraftstoff in verdampfter Form gleichförmig über die Austrittsebene des Auslasses 32 verteilt.
Die definierte Einspritzzone ist für Zerstäubungsverfahren geeignet, welche einen mittleren Tröpfchendurchmesser von weniger als 80u liefern. Die Verdampfungs- und Trägheitseigenschaften von Tröpfchen mit einem größeren Durchmesser führen dazu, daß Kraftstoff zu der äußeren Wand 28 zentrifugiert wird und so zu unerwünscht reichen Kraftstoffkonzentrationsbereichen führt.
In der Fig. 2 ist eine Spritzplatte als ein Mittel zum Zerstäuben von Kraftstoff in der Injektionszone gezeigt. Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der Kraftstoffrohre 80, die Kraftstoffsprühdüsen 82 tragen, in der Injektionszone angeordnet sind.
Die zentrale Luftströmungskammer 84 mit oder ohne ein Verwirbelungsleitelement 86 kann in der Mitte des Konus verwendet werden, um sämtliche Rezirkulation zu modulieren, zu denen es in dieser Wirbelströmung, welche die Kraftstoffdüse verläßt, kommt.

Claims

1. Niedriedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine, wobei der Brenner eine im wesentlichen zylinderförmige Brennerkammer (20) mit einer Achse, mit einer sich axial erstreckenden Kammerwand und mit einem strömungsaufwärtigen Ende und einem Auslaßende hat, wobei das Auslaßende einen Durchmesser "D" hat, wobei der Brenner mindestens einen sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitz in der Wand der zylinderförmigen Kammer (20) hat, wobei der Schlitz eine axiale Länge und eine Schlitzwand tangential zu der Kammerwand hat, wobei der Brenner eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Luft durch den Schlitz hat, wobei der Brenner einen Zentralkörper (42) aufweist, der in der Kammer (20) an der Achse der Kammer in einer Weise angeordnet ist, um den ringförmigen Strömungsbereich um den Zentralkörper (42) in Richtung zu dem Auslaßende (32) der Brennkammer (20) zu vergrößern, wobei der Brenner gekennzeichnet ist durch eine Flüssigkraftstoff-Einspritzeinrichtung zum Zersprühen von Kraftstoff in einer Einspritzzone (58), die als ein Ringvolumen konzentrisch zu dem Zentralkörper definiert ist, welches von imaginären Flächen (60, 64) bei 30% und bei 80% des Abstands von der Zentralkörperoberfläche zu dem Durchmesser "D" begrenzt ist.

2. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzzone (58) von Ebenen (66, 68) begrenzt ist, die axial von der axialen Mitte des Einlaßschlitzes eine Strecke von 10% in Richtung zu dem strömungsaufwärtigen Ende und 20% in Richtung zu dem Auslaßende von der axialen Länge des Einlaßschlitzes angeordnet sind.

3. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzzone (58) von einer anderen imaginären Oberfläche begrenzt ist, die in der Nähe der axialen Mitte des Einlaßschlitzes angeordnet ist.

4. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkraftstoff-Einspritzeinrichtung eine Spritzplatte (48) aufweist, die mindestens mit einem Teil dieser Platte in der Einspritzzone (58) angeordnet ist; und daß eine Einrichtung zum Lenken einer Flüssigkraftstoffströmung gegen diese Spritzplatte vorgesehen ist.

5. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkraftstoff-Einspritzeinrichtung eine Mehrzahl von ungelochten Kraftstoffrohren, die in der Einspritzzone enden, und eine Sprühdüse an dem Ende eines jeden Kraftstoffrohrs aufweist.

6. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen zylinderförmige Kammer (20) aus einer Mehrzahl von Teilzylindern (22) gebildet ist, wobei die Achse eines jeden Zylinders von der Achse des anderen versetzt ist, wodurch eine Mehrzahl von Schlitzen zwischen den Wänden der aneinandergrenzenden Teilzylinder gebildet ist.

7. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach Anspruch 6, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Teilzylinder (22) und die Anzahl der Schlitze zwei ist.

8. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasverteilungsleitungsanordnung zum Zuführen von Gas in die Luftströmung, wenn diese in diesen Schlitz eintritt, vorgesehen ist.

9. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach Anspruch 8, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteilungsleitungsanordnung dem Schlitz benachbart ist und eine Mehrzahl von axial beabstandeten Öffnungen aufweist.

10. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (42) eine konische Form mit einem Basisbereich (44) des Zentralkörpers an dem strömungsaufwärtigen Ende der Kammer und einen Spitzenbereich (46) des Zentralkörpers in Richtung zu dem Auslaßende der Kammer aufweist.

11. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (42) sich von einem Basisbereich (44) zu einem Spitzenbereich (46) verjüngt, wobei der Basisbereich des Zentralkörpers an dem strömungsaufwärtigen Ende der Kammer und der Spitzenbereich des Zentralkörpers in Richtung zu dem Auslaßende der Kammer vorgesehen ist.

12. Niedrig-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (42) einen Basisbereich (44) des Zentralkörpers an dem strömungsaufwärtigen Ende der Kammer mit einem großen Durchmesser und einem Spitzenbereich (46) des Zentralkörpers in Richtung zu dem Auslaßende der Kammer aufweist.

13. Verfahren zum Verbrennen von Flüssigkraftstoff in der Brennkammereinrichtung einer Gasturbinenmaschine unter Verwendung eines Brenners nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend:

tangentiales Einbringen von Verbrennungsluft durch den Schlitz des Brenners;

verteiltes Versprühen von Flüssigkraftstoff in der Verbrennungsluft in der Einspritzzone (58) des Brenners; und

Verbrennen des zerstäubten Kraftstoffs an dem Auslaß der im wesentlichen zylinderförmigen Kammer (20) des Brenners.