Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in den Strömungs-Nachlauf von Drallschaufeln

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer einer Gasturbine, mit zumindest einem in einem Luftweg angeordneten Drallerzeuger (1) mit zumindest einer Drallschaufel (2), sowie mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzdüse (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzdüse (3) im Nachlaufbereich der Drallschaufel (2) angeordnet ist, wobei sich die Düse (3) nicht auf der Schaufel (2) selbst befindet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer einer Gasturbine, mit zumindest einem in einem Luftweg angeordneten Drallerzeuger mit zumindest einer Drallschaufel, sowie mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzdüse.

[0002] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass zur Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkammer einer Gasturbine der Kraftstoff zuerst mit der verdichteten Luft vermischt werden muss. Zu diesem Zweck sind im Brenner mindestens ein, zwei oder drei Luftwege ausgebildet, sowie zumindest ein Kraftstoffweg. Im Luftweg wird häufig ein Drallerzeuger eingesetzt, dieser kann in axialer, diagonaler oder radialer Bauweise ausgebildet sein. In dem Brenner werden die Luft und der Kraftstoff entsprechend gemischt. Dabei wird der Kraftstoff entweder als dünne Lamelle oder lamellenartige Strömung zwischen zwei möglicherweise verdrallte Luftströme eingebracht oder von einem Luftstrom als dünner Film an eine Zerstäuberkante transportiert. Die Kraftstoff-Lamelle oder der Kraftstoff-Film werden dabei zerstäubt und mit der Luft vermischt.

[0003] Eine alternative Vorgehensweise liegt darin, mehrere, radiale, diagonale oder axiale Einspritzbohrungen vorzusehen, durch welche der Kraftstoff aus einem Zentral- oder Ringkörper oder aus einer Drallschaufel in die Luftströmung eingebracht wird.

[0004] Eine konstruktive Ausgestaltung der beschriebenen Art zeigt beispielsweise die DE 195 32 264 A1.

[0005] Solange die Drallerzeuger und die entsprechenden geometrischen Abmessungen klein sind, können die Kraftstoffstrahlen gut mit der Luft vermischt werden. Hierbei kann durch die Verwendung einer mageren Stöchiometrie in der Flamme die Schadstoffemission, beispielsweise von Stickoxiden, vermindert werden. Zur Erzeugung dieses mageren Gemisches in der Primärzone wurde der Strömungsquerschnitt der Brenner in der Vergangenheit immer weiter erhöht und auf Mischluft aus Zumischbohrungen des Flammrohres immer mehr verzichtet.

[0006] Bei der fortlaufenden Erhöhung des Strömungsquerschnittes hat sich jedoch herausgestellt, dass oberhalb einer gewissen Strömungsfläche des Brenners die zusätzliche Luft nicht mehr zu einer weiteren Verminderung der Schadstoffemission, beispielsweise der Stickoxidemission führt. Dies wird durch die fortlaufend schlechtere Mischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft bei Erhöhung des Strömungsquerschnittes des Brenners hervorgerufen. Bei sehr großen Brennerströmungsflächen nimmt ein Großteil der Luft nicht mehr an dem Mischvorgang mit Kraftstoff teil.

[0007] Bei den heutigen, im Stand der Technik verwendeten Druckverhältnissen von Gasturbinen ist die Eindringtiefe der Kraftstoffstrahlen sehr begrenzt, sie beträgt nurmehr wenige Millimeter, beispielsweise 6 mm. Hieraus ergibt sich eine starke Begrenzung der Größe der nutzbaren Strömungsfläche des Brenners bei Einspritzung des Kraftstoffs aus einem Zentral- oder Ringkörper. Bei einer Einspritzung aus der Drallschaufel heraus ergibt sich eine sehr große Oberfläche der kraftstofführenden Bauteile. Hieraus resultiert, dass diese bei den heutigen Verdichteraustrittstemperaturen aktiv gekühlt werden müssen. Hierdurch erhöht sich der konstruktive Aufwand und sich der konstruktive Aufwand und damit auch die Kosten und die Ausfallwahrscheinlichkeit.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und betriebssicherer Anwendbarkeit eine gute Durchmischung des Kraftstoffes mit der zugeführten Luft sicherstellt und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet.

[0009] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0010] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die zumindest eine Kraftstoffeinspritzdüse im Nachlaufbereich der Drallschaufel angeordnet ist, wobei die Düse nicht auf der Schaufel selbst liegt.

[0011] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.

[0012] Erfindungsgemäß wird der Kraftstoff durch radiale, diagonale oder axiale Bohrungen oder Düsen in den Nachlauf der axialen, diagonalen oder radialen Drallschaufeln eingespritzt. Hierdurch wird die Eindringtiefe der Strahlen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen deutlich erhöht, da die Kraftstoffstrahlen nicht mehr so schnell durch die hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Kraftstoff zerrissen werden. Es ist daher möglich, einen viel größeren Luftmassenstrom in einem Brenner effektiv mit Kraftstoff zu vermischen. Durch diese vergrößerte Strömungsfläche der Brenner bei gleichzeitiger Abstimmbarkeit der Kraftstoffverteilung in der Brennerluft können die Schadstoffemissionen drastisch vermindert werden. Durch die größere nutzbare Strömungsfläche eines einzelnen Brenners kann gegebenenfalls auch die Anzahl der Brenner in einer Gasturbine verringert werden. Hierdurch ergibt sich eine Einsparung sowohl hinsichtlich des Gewichts als auch der Kosten.

[0013] In einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kraftstoffeinspritzdüse im Bereich der Hinterkante der Drallschaufel angeordnet ist. Diese strömungsgünstige Anordnung ermöglicht es, den Kraftstoff in den Luft-Nachlauf einzuspritzen, der durch die Grenzschicht auf der Drallschaufel gebildet wird. Durch die im Nachlauf deutlich verminderte Strömungsgeschwindigkeit wird die Eindringtiefe der Kraftstoffstrahlen signifikant erhöht.

[0014] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Hinterkante der Drallschaufel konturiert ausgebildet ist. Durch diese Konturierung kann die Kraftstoffverteilung in der Luftströmung gesteuert werden. Für eine bestimmte, durch die Konturierung vorgegebene Wegstrecke ist der Kraftstoffstrahl durch die Drallschaufel geschützt. An einem geeigneten Punkt ist an der Schaufelhinterkante ein Knick ausgebildet. Dieser bewirkt, dass der Kraftstoffstrahl plötzlicher einer großen aerodynamischen Last ausgesetzt wird, sodass im Wandabstand des Knicks sehr viel Kraftstoff in die Luftströmung eingebracht wird. Durch die Wahl des Winkels und des Wandabstands des Knicks kann die Kraftstoffverteilung in der Luft entsprechend konstruktiv eingestellt werden.

[0015] In einer weiteren, ebenfalls besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drallschaufeln hinsichtlich ihres Querschnitts bzw. ihrer Dicke konturiert ausgebildet sind. Durch die Kraftstoffeinspritzung entlang der verdickten Hinterkante der Drallschaufel ist der Kraftstoffstrahl für eine bestimmte Wegstrecke geschützt und kann somit in eine vorgegebene Tiefe in die Luftströmung eindringen. An einem geeigneten Punkt verjüngt sich die Hinterkante der Drallschaufel und setzt somit den Kraftstoffstrahl einer plötzlichen aerodynamischen Belastung aus, sodass an diesem Punkt sehr viel Kraftstoff in die Luftströmung eingebracht wird. Durch den Dickenverlauf der Schaufelhinterkante normal (senkrecht) zur Wand kann die Kraftstoffverteilung in der Luft konstruktiv entsprechend eingestellt werden.

[0016] Es versteht sich, dass auch eine Kombination der oben beschriebenen Konturierungsmöglichkeiten gleichzeitig eingesetzt werden kann.

[0017] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzung im Nachlaufbereich einer Drallschaufel,

Fig. 2

eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Drallschaufel mit konturierter Hinterkante,

Fig. 3

eine Schnittansicht längs der Linie III-III von Fig. 2,

Fig. 4

eine Seitenansicht, ähnlich Fig. 4, eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Drallschaufel mit Dickenkonturierung,

Fig. 5

eine Schnittansicht längs der Linie V-V von Fig. 4,

Fig. 6

eine Darstellung eines erfindungsgemäß ausgestalteten axialen Drallerzeugers,

Fig. 7

eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen diagonalen Drallerzeugers,

Fig. 8

eine schematische Darstellung, in der Vorderansicht, eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen radialen Drallerzeugers, und

Fig. 9

eine Seitenansicht der in Fig. 8 gezeigten Anordnung, teils im Schnitt.

[0018] Die Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Drallschaufel 2 eines Drallerzeugers, wobei die Strömungs-Grenzschichten und die Geschwindigkeitsbereiche der Luftgeschwindigkeiten dargestellt sind. Die Prozentangaben beziehen sich jeweils auf Prozente der maximal möglichen Luftgeschwindigkeiten, also die Anströmgeschwindigkeit.

[0019] Mit dem Bezugszeichen 3 ist in schematischer Weise eine Kraftstoffeinspritzdüse dargestellt, die sich im Nachlaufbereich der Strömung der Drallschaufel 2 befindet.

[0020] Es ergibt sich, dass der Kraftstoffstrahl sich in einem verringerten Bereich der Luftgeschwindigkeit (100 % entspricht der Anströmgeschwindigkeit) befindet.

[0021] Die Fig. 2 und 3 zeigen die Möglichkeit einer Konturierung der Schaufelhinterkante der Drallschaufel 2. Die Kurve 6 zeigt den Verlauf der Kraftstoffstrahlen in vereinfachter Darstellung.

[0022] Ein weiteres Beispiel einer konturierten Drallschaufel zeigt die Darstellung der Fig. 4 und 5. Auch hierbei ergeben die Kurven 7 und 8 den Verlauf der Kraftstoffstrahlen. Die Drallschaufel ist in ihrem Fußbereich 4 mit einer wesentlich größeren Dicke versehen, als in ihrem Spitzenbereich 5.

[0023] In Fig. 6 ist ein axialer Drallerzeuger mit einer verbesserten Kraftstoffeindüsung gezeigt. Durch die eckige Klammer werden die beiden Grenzkurven der Verteilung der Kraftstoffstrahlen (9 ist gleich äußere Grenzkurze, 10 ist gleich innere Grenzkurve) vereinfacht dargestellt. Hieraus ergibt sich, dass der Kraftstoff praktisch über die gesamte Wirkfläche des Drallerzeugers 1 gleichmäßig in der Luftströmung verteilt wird.

[0024] Die Fig. 7 zeigt einen diagonalen Drallerzeuger in erfindungsgemäßer Ausgestaltung. Auch hierbei zeigen die Kraftstoff-Grenzkurven 9 und 10 (verdeutlicht auch durch die eckige Klammer) den Bereich, in welchem der Kraftstoff verteilt wird.

[0025] In Fig. 8 ist ein radialer Drallerzeuger in erfindungsgemäßer Ausgestaltung dargestellt. Jeder der Drallschaufeln 2 ist jeweils eine Kraftstoffeinspritzdüse 3 zugeordnet. In der Seitenansicht der Fig. 9 zeigen die Kraftstoff-Grenzkurven 11 (in Zusammenhang mit der eckigen Klammer) den Verteilungsbereich des Kraftstoffes.

[0026] Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer einer Gasturbine, mit zumindest einem in einem Luftweg angeordneten Drallerzeuger (1) mit zumindest einer Drallschaufel (2), sowie mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzdüse (3),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kraftstoffeinspritzdüse (3) im Nachlaufbereich der Drallschaufel (2) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kraftstoffeinspritzdüse (3) im Bereich der Hinterkante der Drallschaufel (2) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kraftstoffeinspritzdüse (3) im Bereich der durch die Grenzschicht an der Drallschaufel (2) geführten Luftströmung angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hinterkante der Drallschaufel (2) konturiert ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hinterkante der Drallschaufel (2) in Strömungsrichtung abgeschrägt ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drallschaufel (2) im Querschnitt konturiert ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hinterkante der Drallschaufel (2) an ihrem Fußbereich (4) eine größere Breite aufweist, als an ihrem Spitzenbereich (5).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet dass
die Düse (3) nicht auf der Drallschaufel (2) ausgebildet ist.

Zeichnung