CH698565A2

CH698565A2 - Gasturbinenbrennkammer mit einem Flammenstabilisator.

Info

Publication number: CH698565A2
Application number: CH00234/09A
Authority: CH
Inventors: Derrick Walter Simons; Geoffrey David Myers; Larry L Thomas; Jeffrey Scott Lebegue
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2009-08-31
Also published as: CN101514815A; CN101514815B; US20090211255A1; JP2009198171A; DE102009003483A1

Abstract

Es wird eine Gasturbinenbrennkammer (10) offenbart, die einen Verbrennungsraum (12) umfasst, der hinter einer Vormischkammer (18) angeordnet ist. Die Vormischkammer (18) weist mindestens eine Öffnung (50) auf, um Luft aufzunehmen. Mindestens eine Primär-Brennstoffdüse (14) ist angeordnet, um Brennstoff (54) in die Vormischkammer (18) einzuleiten. Der von der Primär-Brennstoffdüse (14) abgegebene Brennstoff (54) vermischt sich in der Vormischkammer (18) mit der aufgenommenen Luft, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu ergeben. Eine Sekundär-Brennstoffdüse (16) ist in der Nähe des Verbrennungsraums (12) angeordnet, um Brennstoff (54) in den Verbrennungsraum (12) einzuleiten. Ein Stabilisator (32) ist derart an der Sekundär-Brennstoffdüse (16) angeordnet, dass er in unmittelbarer Nähe einer Flamme liegt, wenn Brennstoff (54) an der Sekundär-Brennstoffdüse (16) entzündet wird. Der Stabilisator (32) besteht aus einem Material, das die Fähigkeit hat, Wärme aus einem Wärmefluss zu absorbieren, der in der Brennkammer (10) erzeugt wird, und eine Temperatur genügend zu halten, um die Entzündung der Flamme zu ermöglichen.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Diese Erfindung betrifft allgemein eine Gasturbinenbrennkammer. Das heisst, die Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse der Gasturbinenbrennkammer, wodurch die Brennkammer mit magereren Brennstoff-Luft-Gemischen betrieben werden kann, was niedrigere Stickoxidemissionen zur Folge hat.

[0002] Typischerweise weist eine Gasturbinenbrennkammer sowohl Primär- als auch Sekundär-Brennstoffdüsen auf. Derartige Brennkammern haben vier Betriebsmodi, "Primär", "Mager-Mager", "Sekundär" und "Vormischung". Der Primär-Modus wird zur Entzündung der Brennkammer mit Brennstoff benutzt, der nur den Primärdüsen zugeführt wird. Im Mager-Mager-Modus wird auch die Sekundärdüse entzündet, wobei sowohl den Primär- als auch den Sekundärdüsen Brennstoff zugeführt wird. Im Sekundär-Modus wird Brennstoff nur der Sekundärdüse zugeführt, wodurch die Flamme an den Primärdüsen erlischt. Dann wird im Vormisch-Modus sowohl den Primär- als auch den Sekundärdüsen Brennstoff zugeführt, die Flamme ist aber nur im Sekundärdüsenbereich vorhanden, wobei das vorgemischte Brennstoff-Luft-Gemisch für die gewünschte Leistung mit reduzierten Stickoxidemissionen optimiert ist.

[0003] In dem Bestreben, die Stickoxidemissionen der Brennkammern zu senken, werden sie oft unter Magerbedingungen betrieben. Doch der Betrieb unter Magerbedingungen ist mit der Gefahr der Auslöschung (Lean-Blowout) verbunden. Der Lean-Blowout tritt auf, wenn der Betrieb unter Magerbedingungen durchgeführt wird und eine Änderung wie z.B. eine Strömungsstörung auftritt. Die Auslöschung führt dazu, dass die Brennkammer in den Mager-Mager-Modus zurück versetzt wird oder gar abgeschaltet wird, um jeweils wieder in den Vormischmodus überzugehen oder eine Neuzündung zu erfordern, wie oben erläutert. Um einen Lean-Blowout zu vermeiden, werden viele Brennkammern unter fetteren Bedingungen betrieben, diese Bedingungen führen aber zu einer höheren Flammentemperatur und grösseren Stickoxidemissionen.

[0004] Staatliche Emissionsvorschriften betreffen zunehmend die Schadstoffemission von Gasturbinen wie z.B. Stickoxide.

[0005] Das US-Patent Nr. 6 026 644 offenbart eine Hohlkegel-Düse mit Turbulenzförderern, um eine gewünschte Flammenform zu fördern. Die Flammenform wird als stabiler beschrieben, wodurch sie Strömungsstörungen gegenüber weniger anfällig ist, um einen magereren Betrieb zu ermöglichen.

Kurze Darstellung der Erfindung

[0006] Es wird eine Gasturbinenbrennkammer bereitgestellt, die eine Vormischkammer und einen Verbrennungsraum umfasst. Die Vormischkammer weist mindestens eine Öffnung auf, um Luft aufzunehmen. Mindestens eine Primär-Brennstoffdüse ist angeordnet, um Brennstoff in die Vormischkammer einzuleiten. Der von der Primär-Brennstoffdüse abgegebene Brennstoff vermischt sich in der Vormischkammer mit der aufgenommenen Luft, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu' ergeben. Der Verbrennungsraum ist hinter der Vormischkammer angeordnet. Eine Sekundär-Brennstoffdüse ist in der Nähe des Verbrennungsraums angeordnet, um Brennstoff in den Verbrennungsraum einzuleiten. Ein Stabilisator ist derart an der Sekundär-Brennstoffdüse angeordnet, dass er in unmittelbarer Nähe einer Flamme liegt, wenn Brennstoff an der Sekundär-Brennstoffdüse entzündet wird.

Der Stabilisator besteht aus einem Material, das die Fähigkeit hat, Wärme aus einem Wärmefluss zu absorbieren, der in der Brennkammer erzeugt wird, und eine Temperatur genügend zu halten, um die Entzündung der Flamme zu ermöglichen.

[0007] Es wird auch eine Brennstoffdüse zur Verwendung in einer Gasturbinenbrennkammer bereitgestellt, die eine Brennstoffdüse und einen Stabilisator umfasst, die so an der Brennstoffdüse angeordnet ist, dass sie in unmittelbarer Nähe einer Flamme liegt, wenn die Brennstoffdüse entzündet wird. Der Stabilisator besteht aus einem Material, das die Fähigkeit hat, Wärme aus einem Wärmefluss zu absorbieren, der in der Brennkammer erzeugt wird, und eine Temperatur genügend zu halten, um die Entzündung der Flamme zu ermöglichen.

[0008] Es wird ein Verfahren zur Stabilisierung einer Flamme in einer Gasturbinenbrennkammer bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Einleiten von Brennstoff in einen Verbrennungsraum der Gasturbinenbrennkammer und das Anordnen eines Stabilisators in unmittelbarer Nähe einer Flamme, wenn der Brennstoff in einem Verbrennungsraum entzündet wird. Der Stabilisator absorbiert Wärme aus einem Wärmefluss, der in der Brennkammer erzeugt wird, und hält eine Temperatur genügend, um die Entzündung der Flamme zu ermöglichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009]
<tb>Fig. 1<sep>ist eine vereinfachte Darstellung eines Querschnitts eines GasturbinenbrennkammerSystems nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

<tb>Fig. 2<sep>ist ein Querschnitt eines Flammenstabilisators der Gasturbinenbrennkammersystems von Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0010] In Fig. 1 wird eine Gasturbinenbrennkammer einer Ausführungsform der Erfindung allgemein bei 10 angezeigt. Die Gasturbinenbrennkammer 10 umfasst allgemein einen Verbrennungsraum 12, Primär-Brennstoffdüsen 14 (einige Gasturbinen, wie hier dargestellt, verwenden mehrfache Düsen in jeder Brennkammer), eine Sekundär-Brennstoffdüse 16, eine ringförmige Vormischkammer 18 und ein Venturi-Rohr 20. Der Verbrennungsraum 12 ist allgemein zylindrisch um eine Brennkammer-Mittellinie 22 herum geformt und wird von einer Wand 24 und einer Auskleidung 26 umschlossen. Die im Wesentlichen zylindrische Auskleidung 26 umfasst eine obere Wand 28 und eine untere Wand 30, die den Verbrennungsraum 12 definieren.

[0011] Die Brennkammer 10 hat vier Betriebsmodi, "Primär", "Mager-Mager", "Sekundär" oder "Vormischung".

[0012] Der Primär-Modus wird zur Entzündung der Brennkammer 10" mit Brennstoff 54 benutzt, der nur den Primärdüsen 14 zugeführt wird. Der Luftstrom wird der Vormischkammer 18 durch Eintrittsöffnungen 50 zugeführt. Es ist anzumerken, dass Leitschaufeln an den Primär-Brennstoffdüsenspitzen und Kühlkreise nicht dargestellt sind, um Fig. 1zu vereinfachen. Brennstoff 54 wird durch einen Brennstoffdurchflussregler 56 den Primär-Brennstoffdüsen 14 zugeführt. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird dann durch eine Zündkerze (nicht gezeigt) oder ein anderes konventionelles Zündmittel entzündet, was die Verbrennung im Inneren der Vormischkammer 18 an den Primär-Brennstoffdüsen 14 bewirkt.

[0013] Im Mager-Mager-Modus wird auch die Sekundärdüse 16 mit Brennstoff 54 gezündet, der jeweils den Primär- und Sekundärdüsen 14 und 16 zugeführt wird. Etwa 60% des Brennstoffs 54 wird den Primär-Brennstoffdüsen 14 zugeführt, und etwa 40% des Brennstoffs 54 wird der Sekundär-Brennstoffdüse 16 zugeführt. Die Sekundärdüse 16 zündet durch die Flamme der Primärdüsen 14. Dies erzeugt einen wünschenswerten Wärmefluss, der die exponentielle Erwärmung des langen und dünnen Elements 34 des Flammenstabilisators 32 bewirkt.

[0014] Im Sekundär-Modus wird Brennstoff 54 nur der Sekundärdüse 16 zugeführt, wodurch die Flamme an den Primärdüsen erlischt. Auch wenn die Verbrennung im Verbrennungsraum 12 mit noch höherer Geschwindigkeit fortgesetzt wird, sind Stickoxidemissionen noch nicht reduziert worden.

[0015] Dann wird im Vormischmodus jeweils Brennstoff 54 sowohl den Primär- als auch den Sekundärdüsen 14 und 16 zugeführt, doch die Flamme ist nur an der Sekundärdüse 16 vorhanden. Etwa 80% des Brennstoffs 54 wird dann den Primär-Brennstoffdüsen 14 zugeführt, und etwa 20% des Brennstoffs 54 wird der Sekundär-Brennstoffdüse 16 zugeführt. Brennstoff 54 aus den Primär-Brennstoffdüsen 14 wird mit Luft vorgemischt, die aus den Eintrittsöffnungen 50 eingeleitet wird, um in der Vormischkammer 18 ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen. Dieses Brennstoff-Luft-Gemisch ist noch nicht entzündet worden und läuft in eine Stromabwärts-Richtung, wie durch Pfeile 58 angezeigt, zum Verbrennungsraum 12. Konvergente/ divergente Wände 60 und 62 eines Venturi-Rohrs 20 verengen dort den Durchfluss des Brennstoff-Luft-Gemischs.

Die Durchflussverengung, die durch das Venturi-Rohr 20 verursacht wird, bewirkt dem Bernoullischen Prinzip entsprechend eine Beschleunigung des Gemischs, wenn es an der konvergenten Wand 60 vorbei läuft, wodurch eine Zunahme in der Geschwindigkeit mit einer Abnahme im Druck verbunden ist. Demnach bewirkt dies die Beschleunigung des Brennstoff-Luft-Gemisch zum Verbrennungsraum 12, während die Flamme im Verbrennungsraum 12 erhalten bleibt. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird im Verbrennungsraum 12 durch die Flamme an der Sekundär-Brennstoffdüse 16 entzündet. Die Flamme im Verbrennungsraum 12 wird stark vergrössert und dadurch wird ein erhöhter Wärmefluss erzeugt.

[0016] Ein Flammenstabilisator 32 ist an der Sekundär-Brennstoffdüse 16 befestigt. Der Flammenstabilisator 16 nutzt den im Verbrennungsraum 12 erzeugten Wärmefluss aus.

[0017] Bezug nehmend auf Fig. 2, weist der Flammenstabilisator 32 ein langes und dünnes Element 34 mit einer allgemein zylindrischen Form auf. Auch wenn eine allgemein zylindrische Form gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass andere Formen (wie z.B. allgemein konisch). verwendet werden können, um das Element 34 zu definieren, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung abzuweichen. Das Element 34 weist eine ausreichende Länge auf, um sich über die Sekundär-Brennstoffdüse 16 hinaus und in unmittelbarer Nähe zur Flamme oder in diese hinein zu erstrecken. Das Element besteht aus jedem geeigneten Material, das die Fähigkeit hat, sich zu erwärmen und die hohe Temperatur, die aus dem Wärmefluss resultiert, zurückzuhalten. Ein derartiges Material schliesst Wolfram und Wolframlegierungen ein, doch ohne darauf beschränkt zu sein.

Das Element 34 weist ausserdem ein Ende auf, das nach aussen erweitert ist, wie durch die Fläche 35 definiert.

[0018] Ein allgemein zylindrischer Halter 36 trägt das Element 34, wobei der Halter 36 in der Sekundärdüse 16 befestigt ist. Der Halter 36 weist eine Öffnung 38 dadurch auf, wobei ein Ende der Öffnung gewindet ist und das andere Ende nach innen kegelig verjüngt ist, wie durch eine Fläche 39 definiert. Das Element 34 wird derart in die Öffnung 38 des Halters 36 eingeführt, dass die Fläche 35 des Elements 34 mit der Fläche 39 des Halters 36 in Kontakt oder im Eingriff steht. Ein gewindetes Element (z.B. eine Schraube oder ein Bolzen) 48 wird in die gewindete Öffnung geschraubt, im den Eingriff der Fläche 35 des Elements 34 mit der Fläche 39 des Halters 36 zu sichern. Der Halter 36 weist ausserdem einen nach aussen verlaufenden Schulterabschnitt 46, der den Stabilisator 32 gegen die Sekundär-Brennstoffdüse 16 abstützt.

[0019] Die Brennkammer 10 kann unter magereren Bedingungen betrieben werden, um die Stickoxidemissionen weiter zu senken. Der Lean-Blowout wird auf signifikante Weise, reduziert, weil das Element 34 die kontinuierliche Entzündung des von der Sekundär-Brennstoffdüse 16 abgegebenen Brennstoffs gewährleistet. Wenn ein Ereignis wie zum Beispiel eine Strömungsstörung auftreten sollte, die sonst eine Auslöschung zur Folge gehabt hätte, tritt solch eine Auslöschung daher nicht auf, weil das Element 34 eine kontinuierliche Entzündung des von der Sekundär-Brennstoffdüse 16 abgegebenen Brennstoffs gewährleistet.

[0020] Auch wenn bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen und Ersetzungen daran vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Daher versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung auf beispielhafte und nicht einschränkende Weise beschrieben wurde.

Claims

1. Gasturbinenbrennkammer (10), umfassend:

eine Vormischkammer (18) mit mindestens einer Öffnung (50), um Luft aufzunehmen;

mindestens eine Primär-Brennstoffdüse (14), die angeordnet ist, um Brennstoff (54) in die Vormischkammer (18) einzuleiten, wobei der von der Primär-Brennstoffdüse (14) abgegebene Brennstoff sich mit der in der Vormischkammer (18) aufgenommenen Luft mischt, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu ergeben;

einen Verbrennungsraum (12), der hinter der Vormischkammer (18) angeordnet ist;

eine Sekundär-Brennstoffdüse (16) , die in der Nähe des Verbrennungsraums (12) angeordnet ist, um Brennstoff in den Verbrennungsraum (12) einzuleiten; und

einen Stabilisator (32), der so an der Sekundär-Brennstoffdüse (16) angeordnet ist, dass er in unmittelbarer Nähe einer Flamme liegt, wenn Brennstoff an der Sekundär-Brennstoffdüse (16) entzündet wird, wobei der Stabilisator (32) aus einem Material besteht, das die Fähigkeit hat, Wärme aus einem Wärmefluss zu absorbieren, der in der Brennkammer (10) erzeugt wird, und eine Temperatur genügend zu halten, um die Entzündung der Flamme zu ermöglichen.

2. Gasturbinenbrennkammer (10) nach Anspruch 1, ausserdem umfassend:

ein Venturi-Rohr (20), das zwischen der Vormischkammer (18) und dem Verbrennungsraum (12) angeordnet ist, wobei das Venturi-Rohr (20) den Strom des Brenn-Stoff-Luft-Gemisch aus der Vormischkammer (18) in den Verbrennungsraum (12) einengt, während es eine Flamme im Verbrennungsraum (12) aufrechterhält.

3. Gasturbinenbrennkammer (10) nach Anspruch 1, wobei der Stabilisator (32) umfasst:

ein langes und dünnes Element (34), das an seinem einen Ende an der Sekundär-Brennstoffdüse (16) angeordnet ist und an seinem anderen Ende zum Verbrennungsraum (12) hin vorspringt.

4. Gasturbinenbrennkammer (10) nach Anspruch 3, wobei das lange und dünne Element (34) allgemein zylindrisch oder allgemein konisch ist.

5. Gasturbinenbrennkammer (10) nach Anspruch 3, ausserdem umfassend:

einen Halter (36) , der konfiguriert ist, um an der Sekundär-Brennstoffdüse (16) getragen zu werden und mit dem Ende des langen und dünnen Elements (34) der Sekundär-Brennstoffdüse (16) im Eingriff steht, um das lange und dünne Element (34) zu halten.

6. Gasturbinenbrennkammer (10) nach Anspruch 5, wobei:

das Ende des langen und dünnen Elements (34) der Sekundär-Brennstoffdüse (16) erweitert ist; und

der Halter (36) eine Öffnung (38) dadurch aufweist, wobei ein Ende der Öffnung (38) kegelig verjüngt ist, wobei das lange und dünne Element (34) derart durch die Öffnung (38) des Halters (36) eingeführt wird, dass das erweiterte Ende des langen und dünnen Elements (34) mit dem kegelig verjüngten Ende der Öffnung (38) im Eingriff steht.

7. Gasturbinenbrennkammer (10) nach Anspruch 6, wobei:

die Öffnung (38) an einem anderen Ende des Halters (36) gewindet ist; und

ausserdem umfassend ein gewindetes Element (48), das in die gewindete Öffnung (38) eingreift und das lange und dünne Element (34) am Halter (36) befestigt.

8. Gasturbinenbrennkammer (10) nach Anspruch 1 wobei das Material Wolfram oder eine Wolframlegierung umfasst.