Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zweibrennstoffdüsen für Gasturbinenbrenner, die flüssigen Brennstoff bei Temperaturen und Drucken verbrennen, die zum Brennstoff-Cracken und der nachfolgenden Bildung von festem Kohlenstoffharz auf den Brenner-Brennstoffinjektions-Einrichtungen führen, die vor der Verdampfung und Verbrennung flüssigem Brennstoff ausgesetzt sind und sie bezieht sich besonders auf eine Zweibrennstoffdüse, die die Abscheidung von Kohlenstoff auf Brennstoffgas-Luftzuführungs-Oberflächen hemmt, wenn in einem Flüssigbrennstoff-Verbrennungsmodus gearbeitet wird.

In Zweibrennstoff-Verbrennungssystemen für Gasturbinen werden gasförmiger und flüssiger Brennstoff separat zum Befeuern der Gasturbine eingesetzt. Aus einer Anzahl von Gründen, einschließlich dem Ziel des Betriebes mit geringem NO_x, lag die Betonung bei der Entwicklung auf dem wirksamen Gebrauch von Gasbrennstoff-Düsen, und die Flüssigbrennstoff-Düse wurde typischerweise nur als eine Reserve und nur sporadisch benutzt. Es wurde jedoch kürzlich gezeigt, dass der Einsatz von Flüssigbrennstoff im Gasturbinen-Brenner anstelle von gasförmigem Brennstoff eine Neigung zum Abscheiden von Kohlenstoffrest auf verschiedenen Durchgängen in der Gas/Luft-Brennstoffdüse hat, was die Rückkehr zum Gasbrennstoff-Turbinenbetrieb hindern kann.

Mehr im Besonderen hat ein katastrophenartiges Brennerversagen aus dem raschen Aufbau von Kohlenstoff-Abscheidungen in der Nähe der Flüssigbrennstoff-Injektion resultiert. Kohlenstoff-Abscheidungen, die sich während des Betriebes mit Flüssigbrennstoff entwickelt haben, neigen zum Blockieren des beabsichtigten Gas- oder Flüssigbrennstoff-Einlasses zum Brenner, was ein Zurückfließen des Brennstoffs verursacht. Dies resultiert in einer Zündung und Flamme außerhalb der Brennerauskleidung, was zu einem thermischen Versagen führen kann. Da das Versagen nicht in einem Flammenverlust resultiert und keine signifikanten Austritts-Temperaturänderungen vor dem Brechen des Brenner-Druckgefäßes mit sich zu bringen braucht, können diese Fehler vor dem Regelsystem-Nachweis unerkannt bleiben. Es wurden so ernste Sicherheitsbedenken erzeugt und Lastbeschränkungen gefordert, um den Betrieb der Turbine und somit der Brenner in Lastregionen zu begrenzen, in denen signifikante Abscheidungsraten bekannt sind. So wurden, z. B., einige Ausfälle nach nur 12 Stunden des Betriebes bei nachteiligen Bedingungen für eine hohe Kohlenstoff-Bildungsrate berichtet.

Verschiedene Anstrengungen zum Beseitigen des oder Anpassen an das Kohlenstoff-Abscheidungsproblem wurden vorgeschlagen. So erwies sich das aerodynamische Spülen von Oberflächen, bei denen der Aufprall von Flüssigbrennstoff vorhergesehen wurde, wirksam, wo es genügend Brennerleitungs-Druckabfall gibt, um genug Luftspül-Geschwindigkeit zu erzeugen, um die Abscheidung zu verhindern. Brenneroberflächen-Metalltemperaturen von mehr als, z. B., 426,66°C (800°F) können ebenfalls die Kohlenstoffbildung verhindern. Diese beiden Systeme haben jedoch ihre jeweiligen Nachteile, einschließlich beträchtlichen Verbrauchs von Einlassluft, die vorteilhafterweise woanders benutzt werden könnte, ebenso wie Metallkühlprobleme. Folglich gab es einen demonstrierten Bedarf an der Bereitstellung eines Zweibrennstoff-Düsensystems mit Brennstoff-Sprühverteilung und aerodynamischen Brenner-Charakteristika, die die Einleitung der Kohlenstoff-Abscheidung auf Luft-, Flüssigbrennstoff- und gasförmigen Brennstoff-Düsenoberflächen verhindern. Ein solches Zweibrennstoff-Düsensystem ist in der US-PS 5,833,141 (Anwaltsakte 839-437), eingereicht 30. Mai 1997, der vorliegenden Anmelderin offenbart. Die vorliegende Offenbarung stellt eine Verbesserung und Variation des in diesem früheren Patent offenbarten Systems dar. Verwandte Düsen sind in der US 5,288,021A und EP 0 455 459A offenbart.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Zweibrennstoffdüse bereitgestellt, die eine Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse aufweist, umfassend eine Gasdüse, die eine zentral axial angeordnete Flüssigbrennstoff-Düse umgibt, die in einer Spitze endet. Im Flüssigbrennstoff-Betriebsmodus werden zerstäubte Luft und Flüssigbrennstoff kombiniert und in einem allgemein konischen Flüssigbrennstofftröpfchen-Sprühmuster stromabwärts der Flüssigbrennstoff-Düsenspitze zur Flammenstabilisierungszone injiziert. Eine konvergierende Hülse der Zweibrennstoffdüse umgibt mindestens einen stromabwärts gelegenen Abashhnitt der Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse. Einlassluft, z. B. vom Kompressor, strömt durch einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt des konvergierenden Strömungsdurchganges oder Kanales, der durch die Hülse um die Gas/Flüssigkeits-Düse gebildet ist, um stromabwärts an einem Halsbereich der Hülse und um einen hervortretenden Flüssigbrennstoff-Sprühkegel während des Flüssigbrennstoff-Brennerbetriebes zu fliessen. Gasförmiger Brennstoff wird durch eine Reihe auf dem Umfang beabstandeter Öffnungen in den konvergierenden Luftströmungsdurchgang oder -kanal geleitet.

Ein erster oder innerer Verwirbeler ist in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Luftströmungs-Durchganges oder -Kanales zum Verwirbeln der Luft, die durch den Kanal strömt, vorhanden und um ein verwirbeltes Luftmuster am stromabwärts gelegenen Hals der Hülse zu bilden. Außerhalb des stromabwärts gelegenen Abschnittes der Hülse befindet sich ein äußerer oder zweiter Verwirbeler zum Verwirbeln von Einlassluft vom Kompressor und zur Lieferung von verwirbelter Luft stromabwärts der Flüssigbrennstoff-Düse und um die verwirbelte Luft herum, die aus dem Hals der Hülse austritt. Die Hülse bildet somit eine Grenze zwischen den Luftströmungen, d. h., einem konvergierenden Luftstrom durch den inneren Verwirbeler und Kanal, der durch die zentralen Gas- und Flüssigbrennstoff-Düsen begrenzt ist und einer Strömung außerhalb der Hülse, die durch den äußeren Verwirbeler hindurchgeht. Der Kanal trennt somit die Luftströmung zwischen den Verwirbelern. Die Austrittsebene des inneren Verwirbelers ist vorzugsweise axial vor, d. h., stromaufwärts, der Flüssigbrennstoff-Injektionsebene angeordnet und sie endet in dem konvergierenden Ring, der durch die Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse und die konvergierende Hülse gebildet wird. Luft strömt somit durch den Kanal und wird in diesem Kanal zum Kanalausgang hin kontinuierlich beschleunigt, d. h., dem stromabwärts gelegenen Ende der Hülse. Dies verhindert Rezirkulationszonen, die im Kanal Flüssigbrennstoff mitreißen und Kohlenstoff-Abscheidungen bilden können. Ein Konvergenz-Verhältnis von mindestens 5% wird dem Kanal gegeben, d. h., die stromabwärts gelegene Fläche benachbart dem Kanalausgang sollte um 5% kleiner sein als der stromaufwärts gelegenen Bereich. Der aerodynamische Halsaustritt am Ende der Hülse bietet auch eine starke Sperre gegen Rückschlagen in die Hülse während des Gasbrennstoff Betriebs.

Der zweite oder äußere Verwirbeler bildet eine andere aerodynamische Sperre für Flüssigbrennstoff-Tröpfchen, die auf Metalloberflächen der Zweibrennstoffdüse abgeschieden werden, da der Flüssigbrennstoff in der Austrittsverwirbelung verdampft. Der Druckabfall durch den zweiten Verwirbeler verhindert auch die Berührung von Flüssigbrennstoff mit den Oberflächen der Hülse. Weiter erzeugt die Aerodynamik der Verwirbeler eine Rezirkulation entlang der Mittellinie des Flüssigbrennstoff-Durchganges für eine wirksame Zündung und Flamenstabilität stromabwärts der Düsen.

In der vorliegenden Erfindung wird eine Zweibrennstoffdüse für einen Gasturbinenbrenner bereitgestellt, umfassend eine Gas/Flüssig-Brennstoffdüse, die eine Achse bildet und eine Flüssigbrennstoff-Düse einschließt, die in einer Flüssigbrennstoffspitze endet, um Flüssigbrennstoff in einem Sprühmuster zu einer Flammenzone stromabwärts der Düse zu injizieren, eine Vorrichtung, die mindestens einen Teil der Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse umgibt und teilweise einen sich allgemein axial erstreckenden Luftströmungs-Durchgang bildet, der in einer Richtung stromabwärts zur Achse hin konvergiert, wobei der Strömungsdurchgang eine Vorrichtung bildet, die in einer axialen Ebene nicht weiter stromaufwärts als die Flüssigbrennstoffspitze endet, der Luftströmungsdurchgang teilweise zwischen der den Strömungskanal bildenden Vorrichtung und den Außenwänden der Flüssigbrennstoff Düse gebildet ist, die Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse eine Brennstoffgasdüse einschließt, die aus einem rohrförmigen Teil zwischen der den Strömungsdurchgang bildenden Vorrichtung und der Flüssigbrennstoff-Düse zusammengesetzt ist, einen ringförmigen Durchgang um die Flüssigbrennstoff-Düse und mehrere Öffnungen in dem rohrförmigen Teil im Abstand stromaufwärts von der Flüssigbrennstoffspitze und der Öffnung durch das rohrförmige Teil bildet, das dafür vorgesehen ist, Brennstoffgas in den konvergierenden Strömungsdurchgang fließen zu lassen, einen ersten Luftverwirbeler stromaufwärts der Brennstoffspitze zum Verwirbeln von Luft, die in den Luftströmungsdurchgang eingeführt ist und zum Liefern der verwirbelten Luft um das Flüssigbrennstoff-Sprühmuster und einen zweiten Luftverwirbeler um die den Strömungskanal bildende Vorrichtung herum, die axial stromabwärts vom ersten Luftverwirbeler angeordnet ist, um Luft zu verwirbeln, die extern um die den Strömungsdurchgang bildende Vorrichtung herum aufzunehmen und verwirbelte Luft um das Flüssigbrennstoff-Sprühmuster herum strömen zu lassen, wodurch der Aufprall von Flüssigbrennstoff auf die Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse im Wesentlichen vermieden wird.

Es ist demgemäß eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zweibrennstoffdüse für einen Gasturbinenbrenner bereitzustellen, der die Kohlenstoff-Abscheidung auf den Luft-, gasförmigen Brennstoff- und Flüssigbrennstoff-Düsenoberflächen durch Beseitigen des Aufpralls von Flüssigbrennstoff auf den Brenner-Metalloberflächen über den gesamten Gasturbinen-Betriebsbereich verhindert. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der zeigen:

1 eine Teilquerschnittsansicht einer Zweibrennstoffdüse, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist,

2 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Hülse und eines Paares von Verwirbelern, die Teil der Zweibrennstoffdüse von 1 bilden, und

3 eine perspektivische Ansicht der Hülse und der Düsen, die in 2 gezeigt sind. In 2 ist eine Zweibrennstoffdüse gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet und sie schließt eine Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse, allgemein N bezeichnet, ein, umfassend eine Flüssigbrennstoff-Düse 12 und eine Gasbrennstoff-Düse 14, die Teil einer integrierten Struktur mit einer einen Strömungsdurchgang bildenden Vorrichtung, wie Hülse 16, bilden. Hülse 16 trägt erste oder innere Verwirbeler 18 und zweite oder äußere Verwirbeler 20 innerhalb eines Brennergehäuses 22. Die Flüssigbrennstoff-Düse 12 und die Gasbrennstoff-Düse 16 sind an sich konventionell. Die Flüssigbrennstoff (z. B. Öl)-Düse schließt konzentrische Zwischen- und Innnenrohre 24 und 26 ein, die einen ringförmigen Durchgang 28 dazwischen bilden, um zerstäubte Luft durch Öffnungen in der Spitze 30 der Flüssigbrennstoff-Düse 12 strömen zu lassen. Das innere Rohr 26 bildet einen zentralen axialen Durchgang zum Liefern von Flüssigbrennstoff zur Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30. Das Zwischenrohr 20 wird von einem äußeren rohrförmigen Teil oder Rohr 34 umgeben, das einen ringförmigen Durchgang 36 zum Leiten von Gasbrennstoff durch Öffnungen 38 in einen Kanal oder Luftströmungs-Durchgang D bildet, der unten beschrieben wird. Während der Hauptteil des Betriebes des Brenners in einem Gasbrennstoffmodus stattfindet, wurde festgestellt, dass Flüssigkeits- oder Öltröpfchen vom konischen Sprühmuster der aus der Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30 austretenden Flüssigkeit oder des Öls auf verschiedene Metalloberflächen der Brennstoffdüsen-Ausgänge und dazugehörige Strukturen auftreffen und eine nachteilige Kohlenstoff-Abscheidung bilden, die in der Lage ist, die Brennstoffströmung abzublocken, ein Zurückfließen des Brennstoffes und ein sich daraus ergebendes potentielles thermisches Versagen, wie oben erläutert, zu verursachen. Folglich gab es einen Bedarf, die Abscheidung von Kohlenstoff auf der Zweibrennstoffdüse zu beseitigen, um thermisches Versagen zu verhindern und auch um sicherzustellen, dass sich die Flamme nicht innerhalb irgendwelcher Luft/Gas-Durchgänge stabilisiert, um weiter ein Brennstoff/Luft-Vermischen zu fördern und den effizienten Betrieb der Zweibrennstoffdüse über eine lange Zeitdauer sicherzustellen.

Um das Vorstehende zu bewerkstelligen, stellt die vorliegende Erfindung eine Hülse bereit, die allgemein coaxial mit und folglich allgemein konzentrisch um die Gas/Flüssigkeits-Brennstoffdüse N angeordnet ist. Insbesondere hat die den Strömungsdurchgang bildende Vorrichtung, wie Hülse 16, vorzugsweise einen ersten stromaufwärts gelegenen Ringabschnitt 40, der von der Außenwand 34 der Düse N beabstandet ist, und einen konvergierenden Abschnitt 42, der gleichermaßen von den konvergierenden Wänden 44 der Düse N beabstandet ist. Wie deutlich werden wird, bildet die Hülse 16 einen ringförmigen Luftströmungs-Durchgang oder Kanal D zwischen diesem und den äußeren Wandungen der Gas- und Flüssigkeits-Düse zum Strömenlassen von Luft, z. B. von einem Brenner, der nicht gezeigt ist, konvergent zu der Achse der Düse N in einer stromabwärts gelegenen Richtung. Mehr im Besonderen konvergiert die Hülse 16 um die konvergierenden Außenwandungen 44 der Düse N, um eine verringerte Querschnittsfläche in einer Stromabwärtsrichtung zu liefern. Diese verringerte Querschnitts-Konfiguration beschleunigt die Luftströmung durch den Durchgang. Während 1 eine Divergenz der Hülse 16 und der Wandungen 44 der Düse N mit Bezug aufeinander in einer stromabwärts gelegenen Richtung zeigt, beschleunigt die Nettoverringerung der Querschnittsfläche in dem Kanal die Luftströmung in Richtung stromabwärts durch den Kanal D. Vorzugsweise hat die Querschnittsfläche des Kanales ein Konvergenzverhältnis von mindestens 5, d. h., die stromabwärts gelegene Fläche sollte um 5% oder mehr kleiner sein als die stromaufwärts gelegene Fläche. Es sollte klar sein, dass der Kanal D anders als eine Hülse ausgebildet sein kann, z. B. als ein integraler Teil des Brennergehäuses.

Wie in den Figuren dargestellt, trägt das stromaufwärts gelegene Ende der Hülse 16, d. h., der ringförmige Abschnitt 40, einen inneren Verwirbeler 18, der aus mehreren Schaufeln 44 gebildet ist, die der durch die Schaufeln und durch den Kanal zwischen der Hülse 16 und den Wandungen 44 strömenden Luft eine Rotation verleiht. Am stromabwärts gelegenen Ende der Hülse 16 ist ein äußerer oder zweiter Verwirbeler 20 vorgesehen, der ebenfalls mehrere Schaufeln 46 aufweist, um Luft, die außen um die Hülse 16 strömt, in Richtung stromabwärts zu verwirbeln. Die Schaufeln 44 und 46 des inneren und äußeren Verwirbelers 18 und 20 setzen die Luft in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen in Rotation.

Aus einer Betrachtung der 1 wird deutlich, dass der innere Verwirbeler 18 vorn, d. h., stromaufwärts der Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30 und der Gasbrennstoff-Öffnungen 38, angeordnet ist. Die Hülse 16 endet an ihrem stromabwärts gelegenen Ende in einer Ebene, die vorzugsweise stromabwärts der Spitze 30 der Flüssigbrennstoff-Düse liegt, aber in axialer Koinzidenz mit der Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30 enden kann.

Es wird klar sein, dass die Verwirbeler 18 und 20 eine starke Rezirkulationszone für die Flammen-Stabilisierung stromabwärts der Verwirbeler und stromabwärts der Flüssigbrennstoff-Düsenspitze 30 erzeugen. Hülse 16 bildet eine Grenze zwischen den Verwirbeler-Strömungen, die sich vom Mantel des inneren Verwirbelers zur Nabe des äußeren Verwirbelers erstrecken. Der so gebildete Kanal trennt und konditioniert die Strömung, d. h., durch Konvergieren und Beschleunigen der Luftströmung in Richtung stromabwärts, um die Trennung des Luftstromes von den Wandungen des Kanals zu verhindern. Die konvergierende und sich beschleunigende Luftströmung durch den Kanal ist somit stromabwärts und radial nach innen zur Achse des konischen Ölsprüh-Verteilungsmusters gerichtet, das aus der Flüssigbrennstoffspitze 30 austritt, wenn man einen Flüssigbrennstoff-Betriebsmodus benutzt. Diese Beschleunigung und Konvergenz im Kanal hilft, Rezirkulationszonen zu verhindern, die Flüssigbrennstoff in den Kanal mitreißen und Kohlenstoff Abscheidungen auf den Metalloberflächen bilden würden. Der aerodynamische Hals am Ausgang des Kanales liefert eine starke Sperre gegen Rückschlagen in den Kanal. Die Konvergenz der Hülse und die Beschleunigung der Luftströmung verhindert die Flammenzündung im konvergierenden Kanal. Die Flamme kann nicht im Kanal gehalten werden. Anders ausgedrückt, die Flammenstabilisierung wird nach stromabwärts der Ausgangsebene der Hülse 16 gedrückt. Es wird auch klar sein, dass der Druckabfall über den äußeren Verwirbeler 20 den Kontakt von Flüssigbrennstoff Tröpfchen mit den Oberflächen des äußeren Verwirbelers 20 verhindert. Allgemein erzeugt die Luftströmung, die durch die Verwirbeler verursacht wird, seien sie gemeinsam oder gegenläufig rotierend, eine Rezirkulationszone entlang der Achse der Düse 12 zur ausgezeichneten Zündung und Flammenstabilität stromabwärts der Düse. Ohne einen äußeren Verwirbeler müsste das Metall in dieser Region, das außer für den Verwirbeler erreichbar ist, notwendigerweise gekühlt werden müssen, was die Wahrscheinlichkeit der Kohlenstoff Abscheidung auf den Metalloberflächen erhöht, die die Flüssigbrennstoff-Düse umgeben.