CH677523A5 - - Google Patents
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Description
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Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzufuhrdüse gemäss Anspruch 1 und einen Gasturbinenbren-ner gemäss Anspruch 11.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf Zünder für Brennstoff-Luft-Mischungen und auf Katalysatormaterial zur Inhibition von NOx-Bildung durch Förderung der vollständigen Verbrennung bei reduzierter Flammentemperatur.
Gasturbinenhersteller sind gegenwärtig mit For-schungs- und Konstruktionsprogrammen für neue Gasturbinen beschäftigt, die mit hoher Effizienz und ohne die Erzeugung von unerwünschten Luftverunreinigungen arbeiten. Die erste Luftverunreinigung, die normalerweise von Gasturbinen erzeugt werden, die herkömmliche Brennstoffe verbrennen, wird von Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen verursacht. Ein Verbrennungskatalysator kann in der Reaktionszone einer Verbrennungsvorrichtung zur Förderung der kompletten Verbrennung von magerem, vorgemischtem Brennstoff und Luft benutzt werden, und verringern den Pegel dieser Luftverunreinigungsemissionen. Verbrennungskatalysatoren der heutigen Bauart können nicht für Gasturbinenzündungen und niedere Lastbedingungen eingesetzt werden, die Naturgas oder die häufigsten Turbinenbrennstoffe, wegen der relativ niederen Verbrennungseinlasstemperatur und des mit diesen Betriebsbedingungen verbundenen Temperaturanstieges eingesetzt werden.
Ein Verfahren zum Erhalt einer befriedigenden, katalytischen Verbrennungseinrichtung für den Gasturbinenbetrieb für die Zündung und den Betrieb bei niederem Betrieb besteht darin, den katalytischen Reaktor mit einer oder mehreren herkömmlichen Vorbrennern bei diesen Bedingungen auszustatten. Der Vorbrenner ermöglicht die Zündung und die Stabilisierung der Flamme vor der Zufuhr des Hauptbrennstoffes. Zur Herabsetzung der Luftverunreinigung von diesem Diffusions-Flam-menbrenner auf ein Mindestmass, zur Beschützung des katalytischen Reaktors und zur Schaffung einer operationeilen Flexibilität für die katalytische Verbrennungsvorrichtung, ist es für den Diffusionsflammen-Vorbrenner notwendig, dass eine Kapazität zur Zündung und/oder den Betrieb bei extrem niederen Brennstoffströmung/Wärmeabgabeverhältnisse und sehr magere Gesamtbrennstoff/ Luftmischungen vorhanden sind. Es ist Aufgabe dieser Erfindung, den Betriebsbereich für Verbrennungsvorrichtungen für mit schweren Industriegasen betriebenen Diffusionsflammen auf extrem magere Gesamtbrennstoff/Luftmischungen und Brenn-stoffströmungen/Hitzefreigabeverhältnisse derart tief auszuweiten, dass ein herkömmlicher Verbren-ner ausbrennen würde. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungsein-richtungszündung unter Bedingungen von Brennstoffströmung und gesamter Brennstoff/Luftmischungsstärke zu erreichen, die für eine Zündung mittels herkömmlicher Funkenzündung für Verbrennungsvorrichtungen für schwere Industriegase zu niedrig/mager sind.
Normale Praktiken für Verbrennungsvorrichtungen für Hochleistungs-Industriegasturbinen bestehen darin, durch Verwendung eines elektrischen Entladungszünders eine Zündung durchzuführen, und die Diffusionsflamme aerodynamisch zu stabilisieren. Sobald sich die Zündung stabilisiert hat, werden keine externen Energiequellen, d.h. andere als Verbrennung des Primärbrennstoffes, benötigt. Alternative Zündvorrichtungen, wie beispielsweise Fackelzünder, stehen zur Verfügung, wobei aber Glühkerzen deshalb nicht benutzt werden, weil einfachere Vorrichtungen für eine herkömmliche Verbrennung ausreichen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brennstoffdüse und einer Zündvorrichtung für einen Gasturbinenbrenner, der in der Lage ist, einen Brennstoff bei niederer Strömung .und einem gesamthaft sehr mageren Brennstoff zur Luftmischung zu zünden.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, den Betriebsbereich des Gasturbinenbrenners bezüglich des Potentials für eine Funkenlöschung dadurch auszuweiten, dass eine Brennstoffdüse und eine Zündvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung geschaffen wird.
Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bildung von NOx bei einem niederen Brennstoffströmung/Wärmeabgabe-Verhältnis auf ein Mindestmass zu reduzieren.
Diese Aufgaben sind erfindungsgemäss in den Kennzeichnungsteilen der beigefügten Ansprüche gelöst, wobei Ausführungsformen in den abhängigen Ansprüchen umschrieben sind.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kombination aus einer Brennstoffdüse und einer Zündvorrichtung für einen Gasturbinenbrenner. Die Brennstoffdüse schliesst einen Düsenkörper mit einer Brennstoffeinlassverbindung ein. Eine Brennstoffspitze befindet sich am stromabwärts liegenden Ende des Brennstoffdüsenkörpers zur Streuung des Brennstoffes durch eine Messöffnung in der Brennstoffspitzeneinheit, Zündvorrichtungen befinden sich im Brennstoffdüsenkörper zum Anzünden des Brennstoffes, das von der Brennstoffspitzenvorrichtung verteilt wird. Die Zündvorrichtung schliesst eine Spule ein, die mit einem Katalysatormaterial zur Förderung der ZündungA/erbrennung bei niederem Brennstoff/Hitzeabgabe-Verhältnis beschichtet ist. Die Erfindung ist insbesondere auf Gasturbinen-Verbrennungsvorrichtungen anwendbar, welche Vorbrenner zur Herbeiführung der Zündung und der Verbrennung stromaufwärts von den Hauptbrennstoffverteilern und einen katalytischen Reaktor benutzen.
Nachfolgend werden Ausführungsformen des Gegenstands der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen modifizierten Querschnitt durch eine Gasturbinenverbrennungsvorrichtung derjenigen Art, in welcher die Brennstoffdüse und der Zünder vorteilhafterweise einsetzbar sind,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Brennstoffdüse und einen Zünder gemäss der vorliegenden Erfindung, und
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Fig. 3 eine Vorderansicht des Zünders.
In Fig. 1 ist eine Gasturbine 11 mit einem durch eine kleine Schaufel 13 angedeuteten Kompressor mit einer Vielzahl von Brennern 15 dargestellt, von denen nur einer gezeigt ist, die alle in einem Ring zum Entladen von erwärmten Gasen in eine Gasturbine angeordnet sind, die durch eine einzige Schaufel 17 angedeutet ist. Jeder Brenner ist durch einen Übergangskanal 19 mit der Turbine verbunden. Wie bereits bekannt, liefert der Kompressor Druckluft 21 zum Brenner zu Kühlzwecken und zur Lieferung der benötigten Luft zum Verbrennungsverfahren. Dem Brenner wird Brennstoff durch die stromaufwärts liegende Düse 25 zugeführt. Der in bezug auf die vorliegende Erfindung gezeigte Brenner schliesst einen Brennerteil ein, der ferner einen Vorbrenner 27, einen Hauptbrennstoff-Verteiler 29, einen katalytischen Reaktor 31 und eine Reaktionszone 35 ein-schliesst. Dies ist ein Beispiel von fortgeschrittenen Gasturbinenbrennern, obschon die Erfindung in einem Brenner ohne Vorbrenner oder Haupt-brennstoffverteiler oder sogar ohne katalytischen Reaktor verwendbar ist. Der Brenner ist teilweise in einer Strömungsmanschette 39 eingeschlossen, die Entladeluft 21 vom Kompressor rund um den Vorbrenner 27 und zur Brennstoffdüse 25 leitet. Gemäss herkömmlicher Ausführungen würde der Vorbrenner 27 ferner einen nicht gezeigten Zünder ein-schliessen, der stromabwärts von der Brennstoffdüse angeordnet ist und radial nach innen durch ein Vorbrennergehäuse 41 gerichtet ist, das die Strömungsmanschette 39 umgibt. Jeder Brenner schliesst ferner eine Brennerauskleidung 45 ein, die zusammen mit dem Vorbrennergehäuse 41 ein luftdichtes Gehäuse rund um den Brenner bildet. Der herkömmliche Zünder war normalerweise ein Funkenentladungsgerät (Zündkerze), das mit einer Spitze versehen war, die sich in den Vorbrenner 27 durch ein Loch im Vorbrenner hinein erstreckte und somit nicht dargestellt ist.
Die Betriebsart von Gasturbinenanlagen zur Erzeugung von elektrischer Kraft ist bereits bekannt. Die Turbine wird am Anfang von einem Motor angetrieben, bis der Luftdruck ausreicht, um die Verbrennung im Vorbrenner aufrechtzuerhalten. Bei einem passenden Druck wird Brennstoff der Kompressorluft zugeführt, die dem Kompressor durch eine Düse und die Verbrennungsluftlöcher 49 im Vorbrenner zugeleitet wird. Brennstoff wird durch die Brennstoffdüse 25 zugeführt, während die Zündung der Brennstoff/Luftmischung vom vorgenannten, nicht dargestellten Zünder bewerkstelligt wird, der sich stromabwärts von der Brennstoffdüse befindet. Dadurch wird eine Flamme im Vorbrenner erzeugt, wonach Brennstoff dem Hauptbrennstoff-verteiler 29 zugeführt wird. Die brennende Brennstoff/Luftmasse wird durch den katalytischen Reaktor 31 gelassen und die Verbrennung wird in der Reaktionszone 35 beendigt. Die Verbrennungsprodukte werden der Turbine 17 durch den Durchgangskanal 19 zugeleitet. Die Turbine liefert dann eine Rotationsieistung zum Antreiben der Last und des Kompressors, der vom Startermotor durch eine Kupplung getrennt ist.
Das Vorangehende ist durch die erforderliche Brennstoffströmung und die Betriebstemperatur begrenzt, die zur Auslösung und Aufrechterhaltung der Verbrennung sowie zur Optimierung des Betriebs des katalytischen Reaktors erforderlich sind. Beispielsweise während des Anlaufvorganges kann der Betrieb des katalytischen Reaktors solange begrenzt werden, bis eine bestimmte Betriebstemperatur erreicht ist. Unter bestimmten niederen Brennstoffströmungen kann eine Funkenlöschung der Verbrennungsflamme stattfinden. Auch beim Betrieb des katalytischen Reaktors kann die Vorbrennerflamme absichtlich gelöscht werden, um die NOx - Bildung auf ein Mindestmass herabzusetzen. Wiederzündung der Ramme durch Verwendung einer herkömmlichen Zündvorrichtung kann zu einer Explosion führen, die den katalytischen Reaktor ernstlich beschädigt. Somit ist die vorliegende Erfindung dazu bestimmt, die Schwierigkeiten zu überwinden und den wirksamen Betriebsbereich der Gasturbine zu erweitern.
In Fig. 2 ist die Brennstoffdüse 25 beispielsweise derjenigen Art, welche Naturgas als Brennstoff benutzt. Die Brennstoffdüse 25 nach Fig. 1 ist am stromaufwärts liegenden Ende des Vorbrenners 27 angeordnet und ist nach unten in den Brenner hinein gerichtet. Die Brennstoffdüse ist mit einem beliebigen Brennstoff für Gasturbinen zusammen verwendbar, der Z.B Naturgas sein kann.
Die Brennstoffdüse schliesst einen allgemein ringförmigen Brennstoffdüsenkörper 55 ein, der eine axiale Mittellinie 67 hat. Eine Brennstoffeinlassverbindung 57 liefert ein Rohr zum Einlassen von Brennstoff in den Brennnstoffdüsenkörper, Eine Brennstoffspitzeneinheit 59 befindet sich am fluss-abwärts liegenden Ende des Brennstoffdüsenkörpers und hat eine axiale Mittellinie, die im allgemeinen mit derjenigen 67 des Brennstoffdüsenkörpers übereinstimmt. Ein Wirbier 61 ist rund um das stromabwärts liegende Ende der Brennstoffspitzeneinheit angeordnet und schliesst eine Vielzahl von Schlitzen ein, um der Kompressorluft 21 gerade vor dem Einlass zum Gasbrenner eine Umfangsrichtung zu geben. Brennstoff 62 tritt durch eine Vielzahl von Messöffnungen 63 in den Wirbier, die das Innere des Brennstoffdüsenkörpers mit den Wirblerschlitzen 61 verbinden. In dieser Weise wird Brennstoff und Luft in den Vorbrenner 27 eingelassen.
Eine katalytische GlühkerzeneinHeit 65 umfasst eine Elektrode 71, die praktisch übereinstimmend mit der Mittelachse des Brennstoffdüsenkörpers übereinstimmt und sich nach vorne durch den Düsenkörper in die Brennstoffspitzeneinheit hineinstreckt. Die Elektrode ist mit einer Heizspule oder einem Zünder 75 verbunden. Die Zündung befindet sich innerhalb des Gehäuses 79, das den Zünder und die Elektrode innerhalb des Brennstoffdüsenkörpers und der Brennstoffspitzeneinheit trägt. Die Elektrode ist von einer elektrischen Isolation 81 umgeben, die das Gehäuse 79 von der Elektrode isoliert. Es sind Mittel zur Erregung des Zünders 75 in der Form von einem einstellbaren Potentiometer 83 vorhanden, der die Elektrode mit einer Spannungsquelle und einem Erdungsanschluss 85 verbindet, der schematisch mit dem Gehäuse 79 und dem Zünder
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75 verbindet, in Fig. 3 ist eine Vorderansicht der Spule 75 und des Gehäuses 79 dargestellt.
Erfindungsgemäss kann die Spule oder der Zünder 75 aus einem elektrischen Hochtemperatur-Widerstandsmaterial hergestellt werden, das beispielsweise Kanthai sein kann. Ferner sind die Oberflächen der Spule mit einem Zündungskatalysator, z.B. Palladium, für gasförmigen Brennstoff beschichtet
Im Betrieb der Brennstoffzufuhrdüse wird die Wärmespute oder der Zünder 75 an der mittleren Elektrode 71, am vorderen oder stromabwärts liegenden Ende des Brennstoffdüsenkörpers angeschlossen. Wenn die Elektrode mit einer elektrischen Leistungsquelle 83 verbunden ist, fliesst elektrischer Strom durch die Zündspule 75, die wegen ihres elektrischen Widerstandes erwärmt wird. Der Stromfluss kann durch Variation der Spannung über die Spule reguliert werden, so dass die Oberflächentemperatur an der Spule des Zündkatalysators, der für gasförmigen Brennstoff vorgesehen ist, über diejenige hinaus ansteigt, die eine Selbstzündung der Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft in der Wiederumlaufsströmungszone bewirkt, die gerade stromabwärts vom Wirbier 61 erzeugt wird.
Die elektrische Leistungsquelle und die Reduktion in der erforderlichen Aktivationsenergie zur Auslösung der Verbrennung infolge des Zündungskatalysators für gasförmigen Brennstoff bewirken zusammen eine Verbrennung oder eine Aufrechterhaltung derselben im Verbrenner für eine Mischung aus Brennstoff und Luft, welche Mischung für eine Verbrennung ohne die Verwendung einer Glühkerzeneinheit gemäss der vorliegenden Erfindung zu mager ist.
Claims (13)
1. Brennstoffzufuhrdüse, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Düsenkörper (55) mit mindestens einer Brennstoffeinlassverbindung (57), eine Brennstoffspitzeneinheit (59) am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers (55), ein Gehäuse (79) innerhalb des Brennstoffdüsenkörpers (55), eine Zündvorrichtung (75) innerhalb des Gehäuses (79) und, am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers (55), Mittel (83) zur Erregung der Zündvorrichtung (75) aufweist.
2. Düse nach Anspruch 1, wobei die Düse zur Zufuhr und zum Anzünden von Brennstoff innerhalb des Brenners dient, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Brennstoffdüsenkörper (55) mit mindestens einer Brennstoffeinlassverbindung (57), eine Brennstoffspitzeneinheit (59) am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers (55), ein Gehäuse (79) innerhalb des Brennstoffdüsenkörpers (55) und der Brennstoffspitzeneinheit (59), eine Zündvorrichtung (75) innerhalb des Gehäuses (79) und am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers (55) sowie eine Vorrichtung zur Erregung der Zündvorrichtung (75) am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers aufweist, wobei der von der Düse ausgelassene Brennstoff anzündbar ist.
3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffdüsenkörper (55) ein im allgemeinen ringförmiges Gehäuse (79) mit einer axialen Mittellinie (67) ist, in dem das Gehäuse (79) innerhalb des Brennstoffdüsenkörpers (55) und der Brennstoffspitzeneinheit (59) im allgemeinen ringförmig um die Mittellinie (67) ist, worin die Zündvorrichtung (75) eine Spule ist, die am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers (55) positioniert ist.
4. Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erregung der Spule eine Elektrode (71) eînschlîesst, die an einer elektrischen Leistungsquelle (83) und an der Spule an-schliessbar ist.
5. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen elektrischen Isolator ein-schliesst, der rund um die Elektrode (71) zwischen dieser und dem Gehäuse (79) angeschlossen ist.
6. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (75) mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist.
7. Düse nach Anspruch 6 für gasförmigen Brennstoff (62), dadurch gekennzeichnet, dass eine Wirbelkappe (61), einschliesslich einer Vielzahl von Wirbelschaufeln, rund um die Brennstoffspitzenein-heit (59) angeordnet ist, und diese Einheit ferner Brennstoffauslasslöcher zum Auslassen von Brennstoff (62) aus dem Inneren der Brennstoffspitzeneinheit (59) zu den Wirbelschaufeln aufweist.
8. Düse nach Anspruch 1 zur Abgabe und zum Anzünden von gasförmigem Brennstoff (62) innerhalb eines Turbinenbrenners (15), dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Brennstoffdüsenkörper (55) mit mindestens einer Brennstoffeinlassverbin-dung (57), eine Brennstoffspitzeneinheit (59) am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers (55), ein Gehäuse (79) innerhalb dieses Körpers (55) und der Spitzeneinheit (59), eine Zündvorrichtung (75) innerhalb des Gehäuses (79) und am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers (55), sowie ein Kataiy-satormaterial auf der Zündvorrichtung (75) aufweist, wobei der von der Düse (55) abgegebene Brennstoff (62) in der Anwesenheit des Katalysators (31) anzündbar und verbrennbar ist, und dass Mittel zur Erregung der Zündvorrichtung am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers vorhanden sind.
9. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (55) ein ringförmiger Körper mit einer Mittelachse (67) ist, wobei das Gehäuse (79) im Brennstoffdüsenkörper (55) und die Brennstoffspitzeneinheit (59) praktisch ringförmig rund um die Mittelachse (67) angeordnet sind, und dass die Zündvorrichtung (75) eine Spule ist, die am Auslassende des Brennstoffdüsenkörpers (55) angeordnet ist.
10. Düse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (75) aus elektrischem Hochtemperatur-Widerstandsmaterial besteht, und dass das Katalysatormaterial Palladium ist.
11. Gasturbinenbrenner mit einem Brennergehäuse, das eine Strömungshülse (39) mit darin vorhandener Brennerauskleidung aufweist, wobei eine Brennstoffdüse (25) gemäss Anspruch 1 am stromaufwärts liegenden Ende der Brennerauskleidung
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12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zünder (75) mit einem katalytischen Material beschichtet ist.
13. Brenner nach Anspruch 11 mit einem Gehäuse (79), das eine Strömungshülse (39) und eine darin vorhandene Brennerauskleidung aufweist, wobei eine Brennstoffdüse (25) am stromaufwärts liegenden Ende der Brennerauskleidung angeordnet ist, und ein kataiytischer Reaktor (31) sich am stromabwärts liegenden Ende der Brennerauskteidung befindet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündvorrichtung (75) innerhalb der Brennstoffdüse (25) zum Anzünden des Brennstoffes (62) von der Brennstoffdüse (25) angeordnet ist, wobei die Zündvorrichtung (75) mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist.
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