DE69513542T2

DE69513542T2 - Brennstoffdüse

Info

Publication number: DE69513542T2
Application number: DE69513542T
Authority: DE
Inventors: Jeffery Allan Lovett
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1995-01-09
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2015-01-10
Also published as: JP2928125B2; JPH07305848A; EP0667492A1; EP0667492B1; US5408830A; DE69513542D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen- Brenner und insbesondere auf Verbesserungen in Gasturbinen- Brennern zum Verringern von durch Verbrennung hervorgerufenen Instabilitäten.
Bei der Konstruktion von Kraftwerken ist die Verringerung von Emissionen von schädlichen Gasen, wie beispielsweise NOx, in die Atmosphäre von höchster Bedeutung. Es sind NOx-arme Brenner, die eine magere vorgemischte Verbrennung verwenden, entwickelt worden, um sich diesem Problem zu widmen. Ein derartiger Brenner, wie er beispielsweise in der US-A-5259184 beschrieben ist, weist mehrere Brenner auf, die an einer einzigen Brennkammer befestigt sind. Jeder Brenner enthält ein Strömungsrrohr mit einer zentral angeordneten Brennstoffdüse, die eine zylindrische Nabe, die Brennstoffinjektoren haltert, und einen Luftverwirbler und weist eine ebene Fläche an ihrem stromabwärtigen Ende auf. Zusätzlich zu einer Vormisch- Injektionsstufe für einen NOx-armen Betrieb kann jede Brennstoffdüse eine Diffusions-Injektionsstufe für Start- und Notbetriebsarten und eine Flüssigbrennstoff-Injektionsstufe für einen Betrieb mit flüssigem Brennstoff aufweisen. Diffusionsgasbrennstoff und Flüssigbrennstoff werden üblicherweise über Öffnungen injiziert, die an der ebenen Endfläche von der Brennstoffdüse angeordnet sind.
FR-A-2,626,043 beschreibt eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine, in der ein primärer Brennstoffkanal mit Öffnungen in der zylindrischen äusseren Oberfläche von der Düse verbunden ist.
Während des NOx-armen (Vormisch-)Betriebs wird Brennstoff durch die Brennstoffinjektoren injiziert und mischt sich mit der Verwirbelungsluft in dem Strömungsrohr. Die Diffusions- und Flüssigbrennstoffkreise werden üblicherweise während des Vormischbetriebs mit Luft gereinigt, um Flammgase aus den Kanälen herauszuhalten. Die Verbrennungsflamme wird stabilisiert durch eine Steilkörper-Rezirkulation hinter der Brennstoffdüse und einem Verwirbelungsaufbruch, wenn eine Verwirbelung vorhanden ist. Bei vorgemischten Systemen werden üblicherweise starke Druckschwankungen erzeugt als eine Folge von Verbrennungsinstabilitäten. Es wird angenommen, dass die Verbrennungsinstabilitäten mit dem Abwerfen von sich über die Spanne erstreckenden Wirbeln von dem steilen Ende der Brennstoffdüse in Beziehung stehen.
Diese Druckschwankungen können den Betrieb der Vorrichtung stark einschränken und können in einigen Fällen sogar eine physikalische Beschädigung an der Brenner-Hardware bewirken. Weiterhin wird die Strömung von Reinigungsluft durch die Diffusions- und Flüssigbrennstoffkreise direkt in die Rezirkulationszone injiziert. Diese direkte Injektion verringert die lokale Temperatur und Stärke der Rezirkulation und erzeugt eine nachteilige Wirkung auf die Flammenstabilität.
Demzufolge besteht ein Bedürfnis für einen NOx-armen Brenner, der Druckschwankungen verringert und die nachteiligen Wirkungen des Injizierens von Reinigungsluft direkt in die Rezirkulationszone vermeidet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die oben genannten Bedürfnisse werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, die eine verbesserte Brennstoffdüseneinrichtung für Gasturbinen-Brenner gemäß Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche schafft. Die Brennstoffdüseneinrichtung weist einen im wesentlichen zylindrischen Körper auf, in dem ein Vormischgaskanal und ein Diffusionsgaskanal ausgebildet sind. Mehrere Brennstoffinjektoren erstrecken sich von der zylindrischen Oberfläche des Körpers radial nach außen, wobei jeder der Brennstoffinjektoren wenigstens eine Injektionsöffnung hat, die mit dem Vormischgaskanal in Fluidverbindung ist. Mehrere Austrittsöffnungen sind in der zylindrischen Oberfläche des Kör pers in Fluidverbindung mit dem Diffusionsgaskanal gebildet. Der Körper weist mehrere konzentrische Röhren und eine Austrittsspitze auf, die an dem vorderen Ende von den Röhren angeordnet ist. Die Vormischgas- und Diffusionsgaskanäle sind zwischen benachbarten Röhren angeordnet, und die Austrittsöffnungen sind in der Austrittsspitze ausgebildet. Die Öffnungen, die stromabwärts von den Brennstoffinjektoren angeordnet sind, können eine rechteckige, kreisförmige oder dreieckige Form haben. Die Austrittsöffnungen sind fluidmäßig mit dem Diffusionsgaskanal durch mehrere Kanäle verbunden, die in der Austrittsspitze ausgebildet sind. Jeder Kanal bildet einen Winkel, vorzugsweise etwa 45º, mit der Längsachse des Körpers.
Zusätzlich zu den Vormischgas- und Diffusionsgaskanälen kann die Brennstoffdüseneinrichtung einen Flüssigbrennstoffkanal und einen Atomisierungsluftkanal aufweisen. Diese zusätzlichen Kanäle bzw. Durchlässe können so angeordnet sein, dass sie entweder axial aus dem steilen Ende der Brennstoffdüseneinrichtung, wie es üblicherweise geschieht, oder aus der zylindrischen Oberfläche austreten. Im letztgenannten Fall ist eine zweite Anzahl von Austrittsöffnungen in der zylindrischen Oberfläche des Körpers in Fluidverbindung mit dem Flüssigbrennstoffkanal, und eine dritte Anzahl von Austrittsöffnungen ist in der zylindrischen Oberfläche des Körpers in Fluidverbindung mit dem Atomisierungsluftkanal ausgebildet.
Während des NOx-armen Betriebs wird Vormischgas durch die Brennstoffinjektoren eingeführt. Die Diffusionsgas-, Flüssigbrennstoff- und Atomisierungsluftkanäle werden alle mit einer Luftströmung gereinigt, um den Eintritt von Flammgasen aus der Brennkammer zu verhindern. Da wenigstens einige der Austrittsöffnungen in der zylindrischen Oberfläche von dem Brennstoffdüsenkörper ausgebildet sind, wird Reinigungsluft im Winkel in die Brennkammer in einer Richtung quer zur Primärströmung in die Brennkammer injiziert. Diese Reinigungsluft wird somit sich über die Spanne erstreckende Wirbel unterbrechen oder aufbrechen, die von dem steilen Ende der Brennstoffdüsen einrichtung abgeworfen werden, wodurch Verbrennungsinstabilitäten und Druckschwankungen verringert werden.
Indem also eine Winkelinjektion von Reinigungsluft verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung in der Lage, den Betriebsbereich von Gasturbinen-Brennern zu verlängern und eine physikalische Beschädigung zu verringern. Die nachteilige Wirkung von Reinigungsluft auf die Temperatur der Rezirkulationszone und die Flammenstabilität wird ebenfalls verringert, weil Reinigungsluft nicht gerade in die Rezirkulationszone injiziert wird. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die Winkelinjektion die Größe der Rezirkulationszone vergrößert und somit die Flammenstabilität verbessert. Da ferner die Austrittsöffnungen auf der Seite und nicht auf dem steilen Ende von der Brennstoffdüseneinrichtung angeordnet sind, haben sie weniger Neigung, Flammen aus der Brennkammer anzusaugen. Bei einem Betrieb in den Diffusions- und/oder Flüssigbrennstoff-Betriebsarten sorgt die Winkelinjektion für ein verbessertes Brennstoffmischen. Das verbesserte Mischen verkleinert NOx-Emissionen und vergrößert die Zündfähigkeit.
Andere Aufgabe und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Ansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich.

Beschreibung der Zeichnungen

Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, ist insbesondere in dem abschließenden Teil des Patents hervorgehoben und deutlich beansprucht. Jedoch kann die Erfindung am besten verstanden werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 ein Teilquerschnitt durch eine Brennkammer von einer Gasturbine gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht von einer Brennstoffdüseneinrichtung gemäß der Erfindung ist;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel von dem vorderen Ende der Brennstoffdüseneinrichtung gemäß Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel von dem vorderen Ende der Brennstoffdüseneinrichtung gemäß Fig. 2 zeigt;
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel von dem vorderen Ende der Brennstoffdüseneinrichtung gemäß Fig. 2 zeigt; und
Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel von dem vorderen Ende der Brennstoffdüseneinrichtung gemäß Fig. 2 zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, zeigt Fig. 1 eine Gasturbine 10, die einen Verdichter 12 (teilweise gezeigt), mehrere Brenner 14 (wegen der Zweckmäßigkeit und Klarheit ist einer gezeigt) und eine Turbine 16 enthält, die in der Figur durch eine einzelne Schaufel dargestellt ist. Obwohl es nicht speziell gezeigt ist, ist die Turbine 16 antriebsmäßig mit dem Verdichter 12 entlang einer gemeinsamen Achse verbunden. Der Verdichter 12 verdichtet Einlassluft, die dann rückwärts zum Brenner 14 strömt, wo sie verwendet wird, um den Brenner zu kühlen und Luft für den Verbrennungsprozeß zu liefern. Obwohl nur ein Brenner 14 gezeigt ist, enthält die Gasturbine 10 mehrere Brenner 14, die um ihren Umfang herum angeordnet sind. Ein doppelwandiger Übergangskanal 18 verbindet das Auslassende von jedem Brenner 14 mit dem Einlassende von der Turbine 16, um die heißen Verbrennungsprodukte an die Turbine 16 zu liefern.
Jeder Brenner 14 enthält ein im wesentlichen zylindrisches Verbrennungsgehäuse 24, das an dem offenen vorderen Ende an einem Turbinengehäuse 26 durch Bolzen 28 befestigt ist. Das hintere Ende des Verbrennungsgehäuses 24 ist durch eine Endverschlusseinrichtung 30 verschlossen, die übliche Versorgungsröhren, Verteiler und zugeordnete Ventile usw. zum Zuführen von Gas, flüssigem Brennstoff und Luft (und Wasser, wenn gewünscht) zur Brennkammer 14 enthalten kann. Die Endverschlusseinrichtung 30 nimmt mehrere (beispielsweise fünf) Brennstoffdüseneinrichtungen 32 (aus Gründen der Zweckmäßigkeit und Klarheit ist nur eine gezeigt) auf, die in einer kreisförmigen Anordnung um eine Längsachse des Brenners 14 herum angeordnet sind. Jede Brennstoffdüseneinrichtung 32 ist ein im wesentlichen zylindrischer Körper mit einem hinteren Versorgungsabschnitt 52, der Einlässe zur Aufnahme von gasförmigem Brennstoff, flüssigem Brennstoff und Luft (und Wasser, wenn gewünscht) hat, und einem vorderen Abgabeabschnitt 54.
Innerhalb des Verbrennungsgehäuses 24 ist in einer im wesentlichen konzentrischen Relation dazu eine im wesentlichen zylindrische Strömungshülse 34 angebracht, die an ihrem vorderen Ende mit der Außenwand 36 von dem doppelwandigen Übergangskanal 18 verbunden ist. Die Strömungshülse 34 ist an ihrem hinteren Ende durch einen radialen Flansch 35 mit dem Verbrenungsgehäuse 24 an einer Stoßverbindung 37 verbunden, wo vordere und hintere Abschnitte von dem Brennergehäuse 24 miteinander verbunden sind.
Innerhalb der Strömungshülse 34 befindet sich eine konzentrisch angeordnete Verbrennungsauskleidung 38, die an ihrem vorderen Ende mit der Innenwand 40 von dem Übergangskanal 18 verbunden ist. Das hintere Ende von der Verbrennungsauskleidung 38 wird durch eine Verbrennungsauskleidungs-Kappeneinrichtung 42 gehaltert, die ihrerseits innerhalb des Verbrennungsgehäuses 24 durch mehrere Streben 39 gehaltert wird. Es wird deutlich, dass die Außenwand 36 von dem Übergangskanal 18 und auch derjenige Teil der Strömungshülse 34, der sich vor der Stelle erstreckt, wo das Verbrennungsgehäuse 24 durch Bolzen mit dem Turbinengehäuse 26 (durch Bolzen 28) verbunden ist, mit einer Anordnung von Öffnungen 44 über ihren entsprechenden Umfangsflächen versehen sind, damit Luft ihre Strömung von dem Verdichter 12 durch die Öffnungen 44 hindurch in den Ringraum zwischen der Strömungshülse 34 und der Auskleidung 38 in Richtung auf das stromaufwärtige oder rückwärtige Ende von dem Brenner 14 umkehren kann (wie es durch die Strömungspfeile in Fig. 1 angegeben ist).
Die Verbrennungsauskleidungs-Kappeneinrichtung 42 haltert mehrere Vormischröhren 46, eine für jede Brennstoffdüseneinrichtung 32. Genauer gesagt, wird jede Vormischröhre 46 innerhalb der Verbrennungsauskleidungs-Kappeneinrichtung 42 an ihren vorderen und hinteren Enden durch vordere bzw. hintere Platten 47, 49 gehaltert, die jeweils mit Öffnungen versehen sind, die mit den am Ende offenen Vormischröhren 46 ausgerichtet sind. Die Vormischröhren 46 sind so gehaltert, dass die vorderen Abgabeabschnitte 54 der entsprechenden Brennstoffdüseneinrichtungen 32 konzentrisch darin angeordnet sind.
Die hintere Platte 49 befestigt mehrere sich nach hinten erstreckende, schwimmende Hülsen 48 (eine für jede Vormischröhre 46), die im wesentlichen mit den Öffnungen in der hinteren Platte 49 ausgerichtet angeordnet sind. Jede schwimmende Hülse 48 trägt einen ringförmigen Luftverwirbler 50 in umgebender Relation zu der entsprechenden Brennstoffdüseneinrichtung 32. Radiale Brennstoffinjektoren 66 sind stromabwärts von dem Verwirbler 50 vorgesehen, um gasförmigen Brennstoff in die Vormischzone 69 abzugeben, die sich in dem Vormischrohr 46 befindet. Die Anordnung ist so, dass Luft, die in dem Ringraum zwischen der Auskleidung 38 und der Strömungshülse 34 strömt, gezwungen ist, in dem hinteren Ende von dem Brenner 14 (zwischen der Endkappeneinrichtung 30 und der Hülsenkappeneinrichtung 42) wieder ihre Richtung umzukehren und durch die Verwirbler 50 und Vormischröhren 46 zu strömen, bevor sie in die Verbrennungszone oder die Brennkammer 70 innerhalb der Auskleidung 38 stromabwärts von den Vormischröhren 46 eintritt. Eine Zündung in den vielen Brennern 14 wird durch eine Zündkerze 20 in Verbindung mit Querzündungsröhren 22 (eine gezeigt) in der üblichen Weise erzielt.
Es wird nun auf Fig. 2 eingegangen, in der ein Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüseneinrichtung 32 gemäß der Erfindung schematisch im Schnitt gezeigt ist. Zwar ist die Brennstoffdüseneinrichtung 32 als in die Gasturbine 10 implementiert beschrieben worden, aber dies ist nur zu Darstellungszwecken.
Die Brennstoffdüseneinrichtung 32 ist in gleicher Weise auf andere Gasturbinenkonstruktionen anwendbar.
Der vordere Abgabeabschnitt 54 ist von vier konzentrischen Röhren 56-59 gebildet, und eine Austrittsspitze 55 ist an dem vorderen oder stromabwärtigen Ende der konzentrischen Röhren angeordnet. Die Röhren sind radial im Abstand angeordnet, so dass benachbarte Röhren zwischen sich ringförmige Kanäle bilden. Die ersten und zweiten konzentrischen Röhren 56, 57 (d. h. die zwei radial äußersten konzentrischen Röhren) bilden dazwischen einen Vormischgaskanal 60, der gasförmigen Vormischbrennstoff von dem hinteren Versorgungsabschnitt 52 empfängt. Der Vormischgaskanal 60 steht mit mehreren radialen Brennstoffinjektoren 66 in Verbindung, die jeweils mit mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen oder -löchern 68 zur Abgabe von gasförmigem Brennstoff in die Vormischzone 69 versehen sind, die in der Vormischröhre 46 angeordnet ist. Der injizierte Brennstoff mischt sich mit Luft, die von dem Verdichter 12 zurückgeströmt ist, und wird durch den ringförmigen Verwirbler 50 verwirbelt, der die Brennstoffdüseneinrichtung 32 stromaufwärts von den radialen Injektoren 66 umgibt.
Die zweiten und dritten konzentrischen Röhren 57, 58 bilden zwischen sich einen Verteilungs- bzw. Diffusionsgaskanal 61, und die dritten und vierten konzentrischen Röhren 58, 59 bilden dazwischen einen Atomisierungsluftkanal 62. Die vierte Röhre 59, die innerste der konzentrischen Röhren, bildet darin einen mittleren Flüssigbrennstoffkanal 63. Zusätzlich zur Bereitstellung von gasförmigem Brennstoff für den Vormischgaskanal 60 liefert der rückwärtige Versorgungsabschnitt 52 auch gasförmigen Brennstoff an den Diffusionsgaskanal 61, Luft an den Atomisierungsluftkanal 62 und flüssigen Brennstoff an den Flüssigbrennstoffkanal 63. Der rückwärtige Versorgungsabschnitt 52 arbeitet in einer bekannten Art und Weise. Beispielsweise ist ein geeigneter rückwärtiger Versorgungsabschnitt in dem US- Patent 5,259,184, erteilt am 9. November 1993 für Richard Borkowicz u. a., beschrieben. Wenn sie nicht zum Injizieren von Brennstoff in Benutzung sind (d. h. während des Vormischbe triebs), werden die Kanäle bzw. Durchlässe 61, 63 mit einer Luftströmung gereinigt, um den Eintritt von Flammgasen aus der Brennkammer 70 zu verhindern.
Die Brennstoffdüseneinrichtung 32 kann optional mit einem weiteren Kanal bzw. Durchlass (nicht gezeigt) versehen sein, um der Brennkammer 70 Wasser zuzuführen, um NOx Verringerungen in einer für den Fachmann bekannten Art und Weise zu wirken. Wenn ein derartiger optionaler Wasserkanal verwendet würde, dann würde eine zusätzliche konzentrische Röhre so enthalten sein, dass der Wasserkanal radial innen von dem Atomisierungsluftkanal 62 angeordnet ist. Für den Fachmann sollte verständlich sein, dass die Wasserinjektion bei der vorliegenden Erfindung sparsam verwendet werden soll, weil der primäre, magere Vormischbetrieb die bevorzugte Art und Weise zum Verringern von NOx Emissionen ist.
Die zylindrische Seitenfläche der Austrittsspitze 55 ist mit drei Sätzen von Austrittsöffnungen 71-73 versehen, die den Kanälen bzw. Durchlässen 61-63 entsprechen. Jeder der drei Sätze weist mehrere Öffnungen auf, die um den Umfang der Austrittsspitze 55 herum stromabwärts von den radialen Brennstoffinjektoren 66 nahe dem steilen Ende der Brennstoffdüseneinrichtung 32 angeordnet sind. In der Austrittsspitze 55 sind mehrere Innenkanäle 74-76 vorgesehen für eine fluidmäßige Verbindung der Austrittsöffnungen 71-73 mit ihren entsprechenden Kanälen bzw. Durchlässen. Genauer gesagt, ist jede Öffnung des ersten Satzes von Öffnungen 71 mit dem Verteilungs- bzw. Diffusionsgasdurchlass 61 durch einen Kanal 74 verbunden, jede Öffnung des zweiten Satzes von Öffnungen 72 ist mit dem Atomisierungsluftdurchlass 62 durch einen Kanal 75 verbunden und jede Öffnung des dritten Satzes von Öffnungen 73 ist mit dem Flüssigbrennstoffdurchlass 63 durch einen Kanal 76 verbunden.
Da die Öffnungen 71-73 in der äußeren zylindrischen Oberfläche der Austrittsspitze 55 ausgebildet sind, anstatt auf der Rückfläche, wie es üblicherweise getan wird, wird jede Abgabe aus den Öffnungen 71-73 in die Brennkammer 70 in einer Richtung quer zur primären Strömung in die Brennkammer 70 anstatt entlang der Strömung injiziert. Die Kanäle 74-76 sind in einem Winkel zur Längsachse der Brennstoffdüseneinrichtung 32 angeordnet, um einen geeigneten Injektionswinkel zu erzeugen. Der Winkel, der zwischen den Kanälen 74-76 und der Längsachse der Brennstoffdüseneinrichtung 32 gebildet ist, kann bis zu 90º betragen, obwohl ein Winkel von etwa 45º als optimal angenommen wird. Zusätzlich zur Bildung eines Winkels mit der Längsachse in einer radialen Richtung (wie in Fig. 2 gezeigt) können die Kanäle 74-76 auch in einem Winkel in einer Umfangsrichtung angeordnet sein, um eine Verwirbelung mit oder entgegen der Verwirbelung der durch die Vormischröhre 46 strömenden Luft zu erzeugen.
Wie oben beschrieben ist, ist jeder der Kanäle bzw. Durchlässe 61-63 für eine Abgabe im Winkel angeordnet. Dies ist jedoch nicht notwendig, um eine Verringerung der Verbrennungsinstabilitäten zu erzielen. Alternativ können der Atomisierungsluftkanal 62 oder sowohl der Atomisierungsluftkanal 62 als auch der Flüssigbrennstoffkanal 63 für eine im wesentlichen axiale Abgabe aus dem steilen Ende der Brennstoffdüseneinrichtung 32 konstruiert sein, wie es üblicherweise getan wird. Diese im wesentlichen axiale Abgabe ist in dem oben genannten US- Patent 5,259,184 beschrieben. Der Verteilungs- bzw. Diffusionsgaskanal 61 wird trotzdem für eine Injektion im Winkel angeordnet sein, wie es oben beschrieben wurde.
Wie in den Fig. 3-6 gezeigt ist, sind die Austrittsöffnungen 71-73 von jedem Satz im gleichen Abstand um den Umfang der Austrittsspitze 55 herum angeordnet. Der Umfangsabstand zwischen benachbarten Öffnungen ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, in der Größenordnung der Grenzschichtdicke für typische Betriebsbedingungen. Die Öffnungen 71-73 der drei Sätze können axial ausgerichtet sein, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, oder die Öffnungen 71-73 können von Satz-zu-Satz versetzt sein, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Öffnungen 71- 73 müssen nicht auf die rechteckigen Querschnittsformen gemäß den Fig. 3 und 4 beschränkt sein; wie in den Fig. 5 bzw. 6 gezeigt ist, können die Öffnungen 71-73 dreieckige oder kreisförmige (wie er hier verwendet ist, soll der Begriff "kreisförmig" ovale Formen einschließen) Querschnittsformen haben, um die Wirksamkeit zu optimieren. Die Öffnungen 71-73 sind in den Fig. 3-6 so gezeigt, dass sie parallel zur Längsachse der Brennstoffdüseneinrichtung 32 orientiert sind. Dies ist jedoch nur zu Darstellungszwecken und ist nicht notwendigerweise die tatsächliche Orientierung. Die Öffnungen 71-73 sind vorzugsweise mit oder entgegen der Verwirbelung von Luft orientiert, die durch die Vormischröhre 46 strömt.
Im Betrieb arbeitet jede Brennstoffdüseneinrichtung 32 von jedem Brenner 14 in einer ähnlichen Weise. Beim Starten wird Verteilungs- bzw. Diffusionsgasbrennstoff durch den Diffusionsgasdurchlass 61 und den Innenkanal 74 zugeführt für eine Abgabe durch die Löcher 71 in die Brennkammer 70 innerhalb der Auskleidung 38, wo er sich mit Verbrennungsluft mischt. Dieses Gemisch wird durch die Zündkerze 20 gezündet und in der Brennkammer 70 verbrannt. Die Diffusionsinjektions-Betriebsart kann auch für Notoperationen verwendet werden. Für den Flüssigbrennstoffbetrieb wird flüssiger Brennstoff durch den Flüssigbrennstoffdurchlass 63 und den Kanal 76 zugeführt für eine Abgabe durch die Löcher 73. Der flüssige Brennstoff wird durch Luft atomisiert bzw. zerstäubt, die aus dem Atomisierungsluftdurchlass 62 und den Kanal 75 über die Löcher 72 abgegeben wird, und in der Brennkammer 70 verbrannt. Der Flüssigbrennstoff-Injektionsbetrieb ist meistens als ein Unterstützungssystem für die primäre, NOx-arme Betriebsart vorgesehen.
Für den NOx-armen Betrieb wird dem Vormischgaskanal 60 gasförmiger Vormischbrennstoff zugeführt für eine Abgabe durch die Injektionslöcher 68 in den radialen Brennstoffinjektoren 66. Der Vormischbrennstoff mischt sich mit Luft, die in die Vormischröhre 46 aus dem Ringraum zwischen der Verbrennungsauskleidung 38 und der Strömungshülse 34 eintritt und die durch den Verwirbler 50 hindurchtritt. Das Gemisch strömt in die Brennkammer 70, wo sie durch die bereits bestehende Flamme von der Verteilungs- bzw. Diffusionsbetriebsart gezündet wird. Die se Strömung des Brennstoff/Luft-Gemisches wird hier als die primäre Strömung in die Brennkammer 70 bezeichnet.
Während des NOx-armen Vormischbetriebes werden die Durchlässe bzw. Kanäle 61-63 mit einer Luftströmung gereinigt, um den Eintritt von Flammgasen aus der Brennkammer 70 zu verhindern. Somit werden diskrete Strahlen von Reinigungsluft, die quer zur primären Strömung in die Brennkammer 70 gerichtet ist, aus jeder der Austrittsöffnungen 71-73 in der Austrittsspitze 55 emittiert. Diese Strahlen unterbrechen oder brechen die sich über die Spanne erstreckenden Wirbel auf, die von dem steilen Ende der Brennstoffdüseneinrichtung 32 abgeworfen werden, wodurch Verbrennungsinstabilitäten und Druckschwankungen verkleinert werden. Darüber hinaus wird die im Winkel erfolgende Injektion von Reinigungsluft die Größe der Rezirkulationszone vergrößern und den nachteiligen Effekt der Reinigungsluft auf die Rezirkulationszonentemperatur und die Flammenstabilität verringern, weil die Luft durch die Scherschicht gut gemischt wird. Und wenn in den Diffusions- und/oder Flüssigbrennstoffarten gearbeitet wird, erzeugt die Scherschicht ein verbessertes Mischen des durch die Öffnungen 71-73 injizierten Brennstoffes im Vergleich zu der üblichen Injektion von der Endfläche. Das verbesserte Mischen verringert NO,, Emissionen und vergrößert die Zündfähigkeit.
Vorstehend wurde eine verbesserte Brennstoffdüseneinrichtung für Gasturbinen-Brenner beschrieben, die den Betriebsbereich des Brenners ausdehnt und eine Beschädigung in Folge von Druckschwankungen verringert.

Claims

1. Brennstoffdüseneinrichtung (32) für einen mageren Vormisch-Brenner (10), enthaltend:

einen im wesentlichen zylindrischen Körper mit einer zylindrischen Oberfläche, einer Längsachse und ersten (60) und zweiten (61) inneren Durchlässen,

mehrere Vormisch-Brennstoffinjektoren (66), die sich von der zylindrischen Oberfläche des Körpers radial nach außen erstrecken, um Brennstoff in eine umgebende Vormischzone (69) abzugeben, wobei jeder der Brennstoffinjektoren wenigstens eine Injektoröffnung (68) in Fluidverbuindung mit dem ersten Durchlaß (60) aufweist; eine Anzahl von Austrittsöffnungen (71), die in der zylindrischen Oberfläche des Körpers ausgebildet sind zum Einspritzen von Reinigungsluft in die Brennkammer; und mehrere Kanäle (74), die die Austrittsöffnungen (71) fluidisch mit dem zweiten Durchlaß (61) verbinden, wobei jeder Kanal einen Winkel mit der Längsachse bildet.

2. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei der Winkel etwa 45º beträgt.

3. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei der Körper mehrere konzentrische Röhren (56-59) und eine Austrittsspitze (55) aufweist, die an dem Vorderende von den Röhren angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten Durchlässe zwischen benachbarten (56,57-57, 58) Röhren angeordnet sind und die Röhren und die Austrittsöffnungen in der Austrittsspitze ausgebildet sind.

4. Brennstoffdüse nach Anspruch 3, wobei die mehreren Kanäle (74) in der Austrittsspitze ausgebildet sind.

5. Brennstoffdüseneinrichtung (32) nach Anspruch 1 für eine Gasturbineneinrichtung (10), wobei der erste innere Durchlaß ein Vormischgasdurchlaß und der zweite innere Durchlaß ein Verteilungsgasdurchlaß (61) ist, so daß der Vormischgasdurchlaß fluidisch mit den mehreren Brennstoffinjektoren (66) verbunden ist und der Verteilungsgasdurchlaß (61) fluidisch mit den mehreren Kanälen (74) verbunden ist, die mit den Austrittsöffnungen (71) verbunden sind.

6. Brennstoffdüseneinrichtung (32) nach Anspruch 5, ferner enthaltend einen Flüssigbrennstoff-Durchlaß (63) in dem Körper; eine zweite Anzahl von Austrittsöffnungen, die mit dem Flüssigbrennstoff-Durchlaß (63) in Fluidverbindung sind; einen Atomisierungsluft-Durchlaß (62) in dem Körper; und eine dritte Anzahl von Austrittsöffnungen (72), die mit dem Atomisierungsluft-Durchlaß in Fluidverbindung sind.

7. Brennstoffdüseneinrichtung nach Anspruch 6, wobei jede der mehreren Austrittsöffnungen (71, 72, 73) einen rechteckigen, kreisförmigen oder dreieckigen Querschnitt hat.

8. Verfahren zum Verringern von Verbrennungsinstabilitäten in Gasturbineneinrichtungen (10), die eine Brennkammer (70) und eine Brennstoffdüseneinrichtung (32) nach Anspruch 1 aufweisen, wobei das Verfahren den Schritt enthält, daß Reinigungsluft in die Brennkammer in einer Richtung quer zur Hauptluftströmung in der Brennkammer injiziert wird.