CH698101A2

CH698101A2 - Brennkammer für eine Turbine mit Luftabsaugung sowie Verfahren zum Absaugen von Luft aus einem Verbrennungsabschnitt.

Info

Publication number: CH698101A2
Application number: CH01828/08A
Authority: CH
Inventors: Abhijit Som; Jonathan D Berry
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2009-05-29
Also published as: JP5421575B2; DE102008037580A1; US20090133403A1; CN101446421B; CN101446421A; JP2009127628A; CH698101B1; US7921653B2

Abstract

Eine Brennkammer für eine Turbine, umfassend eine Brennkammerauskleidung (118);<br/>eine erste Strömungshülse (120), die diese Brennkammerauskleidung mit einem dazwischen liegenden ersten Strömungsring umgibt, wobei diese erste Strömungshülse mindestens eine Kühlöffnung aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft als Kühlluft in den ersten Strömungsring zu leiten;<br/>ein Gehäuse (124), das die erste Strömungshülse mit einem zweiten Strömungsring (134) dazwischen umgibt, wobei die erste Strömungshülse mindestens eine Luftabsaugöffnung (128) aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft aus dem ersten Strömungsring als Absaugluft in den zweiten Strömungsring zu leiten; und<br/>einen Absauganschluss (126), der in Wirkbeziehung mit dem Gehäuse gekoppelt ist, um die Absaugluft aus dem zweiten Strömungsring abzusaugen.

Description

Stand der Technik

[0001] Eine Gasturbine besteht konventionell aus einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine. Die Turbine ist mit dem Verdichter gekoppelt, um den Verdichter anzutreiben. Der Verbrennungsraum empfängt Brennstoffe wie z.B. ein Verbrennungsgas und eine bestimmte Menge an Stickstoff, um die Flammentemperatur im Verbrennungsraum der Brennkammer zu senken, was es möglich macht, den Ausstoss von Stickoxiden an die Atmosphäre zu minimieren. Das Verbrennungsgas kann durch Vergasung erhalten werden, das heisst, durch Oxidation von Kohleerzeugnissen wie z. B. Steinkohle. Diese partielle Oxidation wird in einer unabhängigen Einheit durchgeführt, die als Vergaser bezeichnet wird. Konventionell ist die Turbine mit einer LuftZerlegungsanlage kombiniert.

Die LuftZerlegungsanlage erlaubt es, mindestens einen Gasstrom, der hauptsächlich aus einem der Luftgase besteht, vor allem Sauerstoff oder Stickstoff, aus der Einlassluft bereitzustellen. Um die LuftZerlegungsanlage mit der Gasturbine zu kombinieren, werden der Sauerstoff und der Stickstoff, die in der LuftZerlegungsanlage erzeugt werden, jeweils in den Vergaser und in den Verbrennungsraum der Brennkammer eingelassen.

Zusammenfassung der Erfindung

[0002] Die vorliegende Erfindung schlägt die Kombination einer Gasturbine und eine LuftZerlegungsanlage vor, wobei die Einlassluft, die der LuftZerlegungsanlage zugeführt wird, mindestens teilweise von der Gasturbine zugeführt wird.

[0003] Demnach kann die Erfindung in einer Brennkammer für eine Turbine ausgeführt werden, umfassend: eine Brennkammerauskleidung; eine erste Strömungshülse, die diese Brennkammerauskleidung mit einem dazwischen liegenden ersten Strömungsring umgibt, wobei diese erste Strömungshülse mindestens eine Kühlöffnung aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft als Kühlluft in den ersten Strömungsring zu leiten; ein Gehäuse, das die erste Strömungshülse mit einem dazwischen liegenden zweiten Strömungsring umgibt, wobei die erste Strömungshülse mindestens eine Luftabsaugöffnung aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft aus dem ersten Strömungsring als Absaugluft in den zweiten Strömungsring zu leiten;

und einen Absauganschluss, der in Wirkbeziehung mit dem Gehäuse gekoppelt ist, um die Absaugluft aus dem zweiten Strömungsring abzusaugen.

[0004] Die Erfindung kann auch in einem Turbinentriebwerk ausgeführt werden, umfassend: einen Verbrennungsabschnitt; einen Luftauslassabschnitt hinter dem Verbrennungsabschnitt; einen Übergangsbereich zwischen dem Verbren-nungs- und dem Luftauslassabschnitt; eine Brennkammerauskleidung, die einen Abschnitt des Verbrennungsabschnitts und den Übergangsbereich definiert; eine erste Strömungshülse, die die Brennkammerauskleidung mit einem dazwischen liegenden ersten Strömungsring umgibt, wobei diese erste Strömungshülse mindestens eine Kühlöffnung aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft als Kühlluft in den ersten Strömungsring zu leiten;

ein Gehäuse, das die erste Strömungshülse mit einem dazwischen liegenden zweiten Strömungsring umgibt, wobei die erste Strömungshülse mindestens eine Luftabsaugöffnung aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft aus dem ersten Strömungsring als Absaugluft in den zweiten Strömungsring zu leiten; und einen Absauganschluss, der in Wirkbeziehung mit dem Gehäuse gekoppelt ist, um die Absaugluft aus dem zweiten Strömungsring abzusaugen.

[0005] Die Erfindung kann auch in einem Verfahren zum Absaugen von Luft aus einem Verbrennungsabschnitt ausgeführt werden, umfassend eine Brennkammerauskleidung, eine erste Strömungshülse, die diese Brennkammerauskleidung mit einem dazwischen liegenden ersten Strömungsring umgibt, und ein Gehäuse, das die erste Strömungshülse umgibt, wobei die erste Strömungshülse mindestens eine Kühlöffnung aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft als Kühlluft in den ersten Strömungsring zu leiten, wobei das Verfahren umfasst: das Formen eines zweiten Strömungsrings zwischen dem Gehäuse und der ersten Strömungshülse; das Formen mindestens einer Luftabsaugöffnung um einen Umfang davon, um Verdichterauslassluft aus dem ersten Strömungsring als Absaugluft in den zweiten Strömungsring zu leiten;

das Koppeln, in Wirkbeziehung, eines Absauganschlusses mit dem Gehäuse, um die Absaugluft aus dem zweiten Strömungsring abzusaugen; das Zuführen von Verdichterauslassluft durch die mindestens eine Kühlöffnung in den ersten Strömungsring; das Strömen von Absaugluft aus dem ersten Strömungsring durch die mindestens eine Luftabsaugöffnung in den zweiten Strömungsring; und das Absaugen von Luft aus dem zweiten Strömungsring durch den Absauganschluss.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0006] Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung hervor, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, wobei:
<tb>Fig. 1<sep>eine partielle schematische Darstellung eines Gasturbinen-Brennkammerabschnitts ist;

<tb>Fig. 2<sep>eine partielle, aber detailliertere perspektivische Ansicht einer konventionellen Brennkammerauskleidung und Strömungshülse ist, die mit dem Übergangsstück verbunden sind;

<tb>Fig. 3<sep>eine schematische Darstellung ist, teilweise im Querschnitt und teilweise ausgebrochen, die einen internen Verteiler zur Luftabsaugung als eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt;

<tb>Fig. 4<sep>eine schematische Aufrissansicht einer Strömungshülse nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;

<tb>Fig. 5<sep>eine schematische Querschnittsansicht des in Fig. 3 gezeigten Brennkammerabschnitts ist;

<tb>Fig. 6<sep>eine Fig. 5 entsprechende schematische Querschnittsansicht ist, die eine andere Strömungshülsenkonfiguration zeigt;

<tb>Fig. 7<sep>eine Fig. 6 entsprechende schematische Querschnittsansicht ist, die eine weitere Strömungshülsenkonfiguration zeigt;

<tb>Fig. 9<sep>eine schematische Querschnittsansicht ist, die eine weitere Strömungshülsenkonfiguration zeigt;

<tb>Fig. 10<sep>eine Fig. 9 entsprechende schematische Querschnittsansicht ist, die eine andere Gehäusekonfiguration zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0007] Traditionelle Gasturbinenbrennkammern verwenden die Diffusionsverbrennung (d. h., nicht vorgemischt), wobei Kraftstoff und Luft getrennt in die Brennkammer eingeleitet werden. Der Misch- und Brennvorgang erzeugt Flammentemperaturen von über 3900[deg.]F. Weil konventionelle Brennkammern und und/oder Übergangsstücke allgemein in der Lage sind, etwa 10 000 Stunden (Std.) lang einer Höchsttemperatur in der Grössenordnung von nur etwa 1500[deg.]F zu widerstehen, müssen Massnahmen ergriffen werden, um die Brennkammer und/oder das Übergangsstück zu schützen. Dies wird typischerweise durch Schleierkühlung erreicht, was die Einleitung von relativ kühler Verdichterluft in eine Kammer beinhaltet, die durch die Brennkammerauskleidung geformt wird, die die Aussenseite der Brennkammer umgibt.

In dieser Anordnung strömt die Luft aus der Kammer durch Luftschlitze in der Brennkammerauskleidung und wird dann als Schleier über die Innenseite der Auskleidung geführt, wodurch die Unversehrtheit der Brennkammerauskleidung aufrechterhalten wird.

[0008] Fig. 1 stellt auf schematische Weise das hintere Ende einer Brennkammer im Querschnitt dar. Wie in diesem Beispiel zu sehen ist, umfasst das Übergangsstück 12 einen radial inneren Übergangsstück-Körper 14 und eine radial äussere Übergangsstück-Prallhülse 16, die vom Übergangsstück-Körper 14 beabstandet ist. Davor liegen die Brennkammerauskleidung 18, die Öffnungen für den Luftstrom in den Verbrennungsraum aufweist, und die Brennkammer-Strömungshülse 20, die in umgebender Beziehung dazu definiert ist. Der eingekreiste Bereich ist der Hülsenaufbau 22 vor dem Übergangsstück.

[0009] Der Strom aus der Gasturbinenverdichtereinheit (nicht gezeigt) tritt in ein Gehäuse 24 ein. Mindestens ein Teil der Verdichterauslassluft strömt in Kühlöffnungen 28 der vorgeordneten Strömungshülse 20 und in einen ersten Strömungsring 30, der zwischen der Strömungshülse 20 und der Auskleidung 18 liegt. Die Luft mischt sich schliesslich mit dem Gasturbinenbrennstoff im Verbrennungsraum.

[0010] Ein Weg, die Kosten zu senken, die mit dem integrierten Gas- und Dampfturbinen-Bezugskraftwerk einhergehen, liegt darin, eine höhere Nettokraftwerksleistung für Kombikraftwerke zu erreichen. Daher wird die Verwendung von Gasturbinenverdichterluft zu einer lebensfähigen Option, um die Hauptluftverdichter ("MAC")-Last zu reduzieren, die für die LuftZerlegungsanlage ("ASU") benötigt wird. Überdies kann die verfügbare StickstoffVersorgung von der ASU als Verdünnungsmittel zur Nox-Senkung genutzt werden. Zudem stellt die Luftabsaugung ein Mittel zur Gasturbinenregelung durch den Betriebsbereich hindurch dar. Da die Düse der 1. Stufe typischerweise gedrosselt wird, wird die Luftabsaugung zu einem wichtigen Designkriterium für niederkalorische Brennstoffe mit einem Heizwert in einer Grössenordnung kleiner als die von Erdgas.

Doch um die obigen Vorteile zu erreichen, erfordert die Gasturbine Modifikationen, die die erforderliche Luftabsaugung gewährleisten. Die Herausforderung liegt darin, zusätzliche Absaugöffnungen in die Zwänge des bestehenden Aufbaus zu integrieren, und das ohne Auswirkungen auf die Haltbarkeit und Leistung der Brennkammer. Die vorliegende Erfindung stellt die Gasturbinen-Luftabsaugfähigkeit aus dem Brennkammergehäuse bereit, um eine LuftZerlegungsanlage mit minimalen aerodynamischen und mechanischen Risiken zu versorgen.

[0011] Um dies zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen Strömungsring oder Verteiler im Inneren des Brennkammergehäuses bereit, der zwischen dem Gehäuse und dem Strömungshülsenaussendurchmesser geformt ist, um Luft für den Vergasungsprozess abzusaugen.

[0012] Das heisst, Bezug nehmend auf Fig. 3-5, die Erfindung verwendet einen zweiten Strömungsring, der die Strömungshülse 120 umgibt, um die Luft in einen einzigen Absauganschluss 126 einzuspeisen, wobei dieser Anschluss am oberen Totpunkt (TDC) auf dem Gehäuse 124 montiert ist. Dies wird erreicht, indem zwischen der Strömungshülse 120 und dem Gehäuse 124 ein interner Verteiler untergebracht wird. Zudem sind eine oder mehrere Luftabsaugöffnung(en) in der Strömungshülse angeordnet, um eine einheitliche Absaugung um die Auskleidung herum zu erlauben. In der beispielhaften Ausführungsform, die in Fig. 3-5 gezeigt wird, ist eine Vielzahl von Luftabsauglöchern 128 vorgesehen. Die Löcher sind gleichmässig beabstandet, wobei in dieser beispielhaften Ausführungsform 24 Löcher vorgesehen sind.

Dem Konzept der Erfindung gemäss stellen diese Löcher in bevorzugter Grösse auf der Strömungshülse 120 das Herzstück des Absaugsystemdesigns dar. Da die Machzahl zwischen aufeinanderfolgenden Löchern von unten nach oben zunehmend höher wird, werden die Absauglöcher progressiv kleiner.

[0013] Aufgrund der Symmetrie eines Rohrbrennkammersystems mit Auskleidung, Endabdeckung, Kappe und Brennstoffdüsen wird der Brennkammerluftstrom um die Auskleidung herum einheitlich gehalten. Aufgrund dessen ist das Gleichgewicht der Luftteilungen zwischen der luftschlitzgekühlten Auskleidung 118, den Mischdüsen und sechs Düsen um den Nullpunkt kritisch für das Brennkammerdesign. Deshalb wurde die Einführung einer Einpunkt-Radialabsaugung aus der Brennkammer sorgfältig in Betracht gezogen, ohne unerwünschte Nebenströmungsfelder im Hauptbrennkammerluftstrom zwischen der Auskleidung und der Strömungshülse zu verursachen. Andernfalls würde der Verlust des kritischen Gleichgewichts, das zuvor erwähnt wurde, die Brennkammerdynamik, die Emissionen, den Druckabfall und die Lebensdauer der Komponenten nachteilig beeinflussen.

Zudem muss das Luftabsaugsystem die Druckabfallzuteilung einhalten, die von der Anlagenperipherie (Balance of Plant, BOP) angefordert wird. Der Absaughohlraumdruck muss auch hoch genug sein, um einen Rücklauf von Heissgas durch den Querzündrohranschluss 143 zu verhindern.

[0014] In der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist eine Umfangsauskehlung oder -nut 132 in der Strömungshülse 120 geformt, um einen Hohlraum oder Strömungsring 134 zwischen der Hülse 120 und dem Gehäuse 124 zu formen. Ein Absauganschluss 126 ist mit dem Gehäuse 124 gekoppelt, um Luft an einem Punkt um den Umfang der Brennkammer abzusaugen. In der Ausführungsform von Fig. 3-5 umfasst die Umfangsnut 132 eine erste geneigte Wand 136 an ihrem einem axialen Ende, eine zweite geneigte Wand 138 an ihrem anderen axialen Ende und eine Bodenwand 140. In dieser Ausführungsform umfasst die sogenannte mindestens eine Luftabsaugöffnung eine Vielzahl von Luftabsauglöchern 128, die um einen Umfang der ersten Strömungshülse 120 herum durch die hintere geneigte Wand 138 geformt ist.

[0015] Fig. 6 bis 10 veranschaulichen andere Konfigurationen der Strömungshülse und des Gehäuses relativ zur Ausführungsform von Fig. 1.

[0016] Das heisst, Fig. 6 veranschaulicht zudem eine Ablenkverlängerung 142 der Bodenwand 140A der Nut 132A der Strömungshülse 120A, die über der hintersten Einlassöffnung (relativ zur Richtung des Kühlluftstroms durch den ersten Ring) zum Verbrennungsraum liegt, für einen stetigen Kammerdurchmesser über diesen Einlassöffnungen.

[0017] Fig. 7 entspricht der Ausführungsform von Fig. 6, doch die Vielzahl von gleichmässig beabstandeten Absaugöffnungen oder -anschlüssen 128B um den Umfang der Strömungshülse 120B herum ist auf der hinteren Seite der Umfangsauskehlung oder -nut 132B angeordnet und durch die Ablenkverlängerung 142B von den Einlassen in der Auskleidung abgeschirmt.

[0018] Fig. 8 entspricht der Ausführungsform von Fig. 7, die hintere Wand der Nut 132C ist aber ausgelassen, sodass der zweite Strömungsring 134C am hinteren Ende der Strömungshülse 120C zum ersten Strömungsring hin offen ist, um einen durchgehenden Durchgang für den Kühlluftstrom aus dem ersten Strömungsring zum zweiten Strömungsring und weiter zum Absauganschluss zu definieren.

[0019] Fig. 9 veranschaulicht eine flache Kammer 134D, die durch Versetzen der Strömungshülse 120D vom Gehäuse 124 in die axiale Nachbarschaft des Absauganschlusses definiert wird.

[0020] Schliesslich veranschaulicht Fig. 10ein Gehäuse 124E, das in Bezug auf die Auskleidung und die Strömungshülse 120E geneigt oder ausgeladen ist, wodurch mit der Strömungshülse eine Kammer oder ein zweiter Strömungsring 134E definiert wird.

[0021] Auch wenn die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktischste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform eingeschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äguivalente Anordnungen einschliesst, die im Geist und Umfang der beiliegenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Brennkammer für eine Turbine, umfassend: eine Brennkammerauskleidung (118);

eine erste Strömungshülse (120, 120A, 120B, 120C, 120D, 120E), die diese Brennkammerauskleidung mit einem dazwischen liegenden ersten Strömungsring (30) umgibt, wobei diese erste Strömungshülse mindestens eine Kühlöffnung (28) aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft als Kühlluft in den ersten Strömungsring zu leiten;

ein Gehäuse (124, 124E), das die erste Strömungshülse mit einem dazwischen liegenden zweiten Strömungsring (134, 134C, 134D, 134E) umgibt, wobei die erste Strömungshülse mindestens eine Luftabsaugöffnung (128, 128B) aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft aus dem ersten Strömungsring als Absaugluft in den zweiten Strömungsring zu leiten; und

einen Absauganschluss (126), der in Wirkbeziehung mit dem Gehäuse gekoppelt ist, um die Absaugluft aus dem zweiten Strömungsring abzusaugen.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, wobei der Absauganschluss in Wirkbeziehung mit der LuftZerlegungsanlage gekoppelt ist, sodass Luft, die aus dem zweiten Strömungsring abgesaugt wird, der LuftZerlegungsanlage als Einlassluft dafür zugeführt wird.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, wobei die erste Strömungshülse eine Umfangsnut (132, 132A, 132B, 132C) aufweist, um mit dem Gehäuse den zweiten Strömungsring zu definieren.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, wobei die Umfangsnut eine erste geneigte Wand (136) an ihrem einen axialen Ende, eine zweite geneigte Wand (138) an ihrem anderen axialen Ende und eine Bodenwand (14 0, 140A) umfasst und die mindestens eine Luftabsaugöffnung eine Vielzahl von Luftabsauglöchern (128, 128B) umfasst, die um einen Umfang der ersten Strömungshülse durch eine der geneigten Wände geformt ist.

5. Brennkammer nach Anspruch 4, wobei die Bodenwand (140, 140A) der Nut im Wesentlichen parallel zur Brennkammerauskleidung liegt.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, wobei ein Ablenkelement (142, 142B) von der Bodenwand der Nut aus verläuft, wobei diese Ablenkwand in Bezug auf eine Strömungsrichtung der Verbrennungsgase durch die Brennkammerauskleidung in einer axial vorderen Richtung verläuft .

7. Brennkammer nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Luftabsaugöffnung eine Vielzahl von Luftabsauglöchern (128) umfasst, die um einen Umfang der ersten Strömungshülse geformt sind.

8. Brennkammer nach Anspruch 1, wobei die Strömungshülse in einer Nachbarschaft des Luftabsauganschlusses gestuft ist, um den zweiten Strömungsring zu definieren.

9. Brennkammer nach Anspruch 8, wobei die gestufte Strömungshülse in Bezug auf eine Richtung der Verbrennungsgase durch die Brennkammerauskleidung an ihrem vorderen Ende in beabstandeter Beziehung zum Gehäuse und zur Brennkammerauskleidung endet, sodass der zweite Ring (134C) an diesem vorderen Ende der Strömungshülse in offener Verbindung mit dem ersten Ring ist, wodurch Verdichterauslassluft aus dem ersten Ring zum zweiten Ring und zum Absauganschluss strömen kann.

10. Verfahren zum Absaugen von Luft aus einem Verbrennungsabschnitt, umfassend eine Brennkammerauskleidung (118), eine erste Strömungshülse (120, 120A, 120B, 120C, 120D, 120E), die diese Brennkammerauskleidung mit einem dazwischen liegenden ersten Strömungsring (30) umgibt, und ein Gehäuse (124, 124E), das die erste Strömungshülse umgibt, wobei die erste Strömungshülse mindestens eine Kühlöffnung (28) aufweist, die um einen Umfang davon geformt ist, um Verdichterauslassluft als Kühlluft in den ersten Strömungsring zu leiten, wobei das Verfahren umfasst:

das Formen eines zweiten Strömungsrings (134, 134C, 134D, 134E) zwischen dem Gehäuse und der ersten Strömungshülse;

das Formen mindestens einer Luftabsaugöffnung (128, 128B) um einen Umfang davon, um Verdichterauslassluft aus dem ersten Strömungsring als Absaugluft in den zweiten Strömungsring zu leiten;

das Koppeln, in Wirkbeziehung, eines Absauganschlusses (126) mit dem Gehäuse (124, 124E) , um die Absaugluft aus dem zweiten Strömungsring abzusaugen;

das Zuführen von Verdichterauslassluft durch die mindestens eine Kühlöffnung (28) in den ersten Strömungsring (30);

das Strömen von Absaugluft aus dem ersten Strömungsring (30) durch die mindestens eine Luftabsaugöffnung (128, 128B) in den zweiten Strömungsring (134, 134C, 134D, 134E); und

das Absaugen von Luft aus dem zweiten Strömungsring durch den Absauganschluss.