CH699767A2

CH699767A2 - Brenner zur Verwendung mit einer Brennkammer eines Gasturbinenmotors.

Info

Publication number: CH699767A2
Application number: CH01267/09A
Authority: CH
Inventors: Benjamin Lacy; Balachandar Varatharajan; Gilbert O Kraemer; Ertan Yilmaz; Baifang Zuo
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2010-04-30
Also published as: US8113002B2; CN101725972A; JP2010096487A; US20100095675A1; DE102009026364A1; CH699767B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Brenner (150) zur Verwendung mit einer Brennkammer eines Gasturbinenmotors bereit. Der Brenner (150) kann eine zentrale Nabe (100), einen Mantel, ein Paar Brennstoffleitschaufeln (120), die von der zentralen Nabe (100) zum Mantel verlaufen, und eine Nebenleitschaufel (160) umfassen, die von der zentralen Nabe (100) und/oder vom Mantel verläuft und zwischen dem Paar Brennstoffleitschaufeln (120) angeordnet ist.

Description

Erklärung in Bezug auf staatlich geförderte Forschung und Entwicklung

[0001] Diese Erfindung wurde unter dem vom US-Energieministerium vergebenen Vertrag Nr. DE-FC26-05NT42643 mit staatlicher Unterstützung durchgeführt. Die Regierung hat bestimmte Ansprüche an der Erfindung.

Technisches Gebiet

[0002] Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Gasturbinenmotoren und betrifft insbesondere einen Brennkammer-Brenner mit Nebenleitschaufeln, die zwischen den Brennstoffleitschaufeln angeordnet sind.

Hintergrund der Erfindung

[0003] Verschiedene Brennkammertypen sind bekannt und werden in Gasturbinenmotoren eingesetzt. Diese Brennkammern verwenden je ihrerseits nach Art des verwendeten Brennstoffs verschiedene Brennstoffbrenner oder -düsen. Zum Beispiel werden die meisten erdgasbefeuerten Systeme mit mageren Vorgemisch-flammen betrieben. In diesen Systemen wird Brennstoff vor der Reaktionszone mit Luft gemischt, um eine Vorgemischflamme zu erzeugen. Ein Beispiel ist eine "Swozzle" (Verwirbler + Düse), in welcher die Brennstoffeinspritzöffnungen um eine Anzahl sich erstreckender Schaufeln herum angeordnet sind, um den Brennstoff in den Luftstrom einzuspritzen.

Alternativ dazu können in Systemen, die Syngas oder andere Brennstoffarten verwenden, aufgrund der allgemein höheren Reaktivität des Brennstoffs Diffusionsdüsen verwendet werden, um den Brennstoff und die Luft direkt in den Verbrennungsraum einzuspritzen.

[0004] Gegenwärtige Brennkammerdesigns konzentrieren sich jedoch auf die Brennstoffflexibilität hinsichtlich der Verwendung von Erdgas und anderer Brennstoffarten. Als Ergebnis können bei der Umstellung von einer Brennstoffart auf eine andere Betriebsprobleme auftreten, wenn dieselben Komponenten verwendet werden. Zum Beispiel kann Syngas im Gegensatz zu Erdgas aufgrund seiner niedrigeren modifizierten Wobbezahl einen viel höheren Volumenstrom aufweisen. Aufgrund dessen und der hohen Reaktivität einiger Brennstoffe können Flammenerhaltungsprobleme auftreten. Das Design der Brennkammer und ihrer Komponenten sollte daher an diese variablen Brennstoffeigenschaften wie z.B. unterschiedliche Brennstoffreaktivitäten, Brennstofftemperaturen, Heizwerte, Molekulargewichte usw. angepasst werden können.

[0005] Deshalb besteht ein Bedarf nach verbesserten Brennkammerkomponenten allgemein und insbesondere nach einem verbesserten Brenner. Solch ein Brenner kann eine gute Brennstoff- und Luftmischung für eine grössere Brennstoffflexibilität gewährleisten, während er den Wirkungsgrad des Systems aufrecht erhält und die Gesamtemissionen beschränkt. Solche brenn-stoffflexible Systeme sollten an Erdgas und andere Brennstoffarten angepasst werden können, ohne kostspielige Ausrüstungsumstellungen zu erfordern.

Zusammenfassung der Erfindung

[0006] Die vorliegende Anmeldung stellt daher einen Brenner zur Verwendung mit einer Brennkammer eines Gasturbinenmotors bereit.

[0007] Der Brenner kann einen Kern, einen Mantel, ein Paar Brennstoffleitschaufeln, die vom Kern zum Mantel verlaufen, und eine Nebenleitschaufel umfassen, die vom Kern und/oder Mantel verläuft und zwischen dem Paar Brennstoffleitschaufeln angeordnet ist.

[0008] Die vorliegende Anmeldung betrifft ausserdem ein Verfahren zur Mischung von Brennstoff und Luft in einem Brennkammer-Brenner einer Gasturbine. Das Verfahren umfasst die Schritte des Strömenlassens des Luftstroms in eine Swozzle-Anordnung; des Strömenlassens des Brennstoffs durch eine Anzahl von Brennstoffleitschaufeln in der Swozzle-Anordnung, des Verwirbelns des Luftstroms und Brennstoffstroms, um einen Vorgemischstrom zu erzeugen, und des Anordnens einer Nebenleit-schaufel zwischen einem Paar der Brennstoffleitschaufeln, um mindestens den Vorgemischstrom auf eine vorbestimmte Geschwindigkeit zu halten, wenn der Vorgemischstrom aus den Brennstoffdüsen austritt.

[0009] Die vorliegende Anmeldung stellt ferner eine Swozzle-Anordnung zur Verwendung mit einer Brennkammer eines Gasturbinenmotors bereit. Die Swozzle-Anordnung kann eine zentrale Nabe, einen Mantel, eine Anzahl von Swozzle-Leitschaufeln, die von der zentralen Nabe zum Mantel verlaufen, und eine Anzahl von Nebenleitschaufel umfassen, die von der zentralen Nabe und/ oder vom Mantel verlaufen, und wobei eine der Nebenleitschaufeln zwischen jedem Paar der Swozzle-Ventile liegt.

[0010] Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Patentanmeldung gehen für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011]
<tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinenmotors.

<tb>Fig. 2<sep>ist eine schematische Ansicht, teilweise im Querschnitt, eines konventionellen Brenners vom Swozzle-Typ.

<tb>Fig. 3<sep>ist eine perspektivische Ansicht der Brennstoffleitschaufeln des Swozzle-Brenners von Fig. 2.

<tb>Fig. 4<sep>ist eine perspektivische Ansicht der Brennstoffleitschaufeln mit Nebenleitschaufeln im Swozzle-Brenner wie hierin beschrieben.

<tb>Fig. 5<sep>ist ein Grundriss einer Nebenleitschaufel von Fig. 4.

<tb>Fig. 6<sep>ist eine alternative Ausführungsform des Swozzle-Brenners, wie hierin beschrieben, mit verlängerten Nebenleitschaufeln.

<tb>Fig. 7<sep>ist eine alternative Ausführungsform des Swozzle-Brenners, wie hierin beschrieben, wobei die Nebenleitschauf ein auf dem Mantel angeordnet sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0012] Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen sich in den Ansichten durchweg auf gleiche Elemente beziehen, zeigt Fig. 1eine schematische Ansicht eines Gasturbinengehäuses 10. Wie bekannt, kann der Gasturbinenmotor 10 einen Verdichter 20 umfassen, um einen eingehenden Luftstrom zu verdichten. Der Verdichter 20 führt den verdichteten Luftstrom der Brennkammer 30 zu. Die Brennkammer 30 mischt den verdichteten Luftstrom mit einem Brennstoffström und zündet das Gemisch. (Auch wenn nur eine einzige Brennkammer 30 gezeigt wird, kann der Gasturbinenmotor 10 eine beliebige Zahl von Brennkammern 30 umfassen.) Die heissen Verbrennungsgase werden ihrerseits einer Turbine 40 zugeführt. Die Turbine 40 treibt den Verdichter 20 und eine externe Last 50 wie z.B. einen Stromgenerator und dergleichen an.

Der Gasturbinenmotor 10 kann andere Konfigurationen und Komponenten darin verwenden. Der Gasturbinenmotor 10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Syngas und andere Brennstoffe verwenden.

[0013] Fig. 2 zeigt einen Swozzle-Brenner 60, der mit der oben beschriebenen Brennkammer 30 verwendet werden kann. Wie bekannt, kann der Swozzle-Brenner 60 eine Anzahl von ringförmigen Brennstoffkanälen 70 aufweisen. Einige der ringförmigen Brennstoffkanäle 70 können zu einer Diffusionsspitze 80 verlaufen, während andere zu einer Swozzle-Anordnung 90 verlaufen können. Die Swozzle-Anordnung 90 kann einen Kern oder eine zentrale Nabe 100 und einen Mantel 110 umfassen, die durch eine Reihe von flügelförmigen Brennstoffleitschaufeln 120 verbunden sind. Jede Leitschaufel 120 kann ein vorderes Ende 122 und ein hinteres Ende 124 aufweisen. Wie in Fig. 2und 3 gezeigt, kann jede Brennstoffleitschaufel 120 eine oder mehrere Brennstoffeinspritzöffnungen 130 aufweisen. Die Swozzle-Anordnung 90 definiert auch einen Lufteinlass 140 vor den Brennstoffleitschaufeln 120.

Andere Konfigurationen des Swozzle-Brenners 60 und der Swozzle-Anordnung 90 können hierin verwendet werden.

[0014] In Betrieb wird Brennstoff, der aus den Brennstoffeinspritzöffnungen 130 der Brennstoffleitschaufeln 120 eingespritzt wird, also mit dem eingehenden Luftstrom aus dem Lufteinlass 140 vermischt. Die Form der Brennstoffleitschaufeln 120 verwirbelt die Brennstoffströme und die Luftströme, um die gute Mischung in einem Vorgemischstrom zu fördern. Der Vorgemischstrom wird dann hinter der Swozzle-Anordnung 90 gezündet.

[0015] Fig. 4 und 5 zeigen Abschnitte eines Swozzle-Brenners 150 wie hierin beschrieben. Der Swozzle-Brenner 150 kann die Komponenten des oben beschriebenen Swozzle-Brenners 60 umfassen. Der Swozzle-Brenner 150 weist auch eine Anzahl von Nebenleit-schaufeln 160 auf. Die Nebenleitschaufeln 160 können zwischen den Brennstoffleitschaufeln 120 angeordnet sein, die oben beschrieben wurden. Die Nebenleitschaufeln 160 können um das hintere Ende 124 der Brennstoffleitschaufeln 120 herum angeordnet sein und können auf jeder Länge zum vorderen Ende 122 hin verlaufen, wie bei den zwei rechten Nebenleit-schaufeln von Fig. 4gezeigt. Die Nebenleitschaufeln 160 können auch überall vor dem hinteren Ende 124 der Brennstoffleitschaufeln 120 angeordnet sein und können auf jeder Länge zum vorderen Ende 122 hin verlaufen, wie durch die Nebenleitschaufel ganz links in Fig. 4 gezeigt.

Die Nebenleitschaufeln 160 können eine ovalartige Form, wie gezeigt, oder jede gewünschte Form oder Grösse haben. Die Nebenleitschaufeln 160 können eine oder mehrere Brennstoffeinspritzöffnungen 170 darin aufweisen. Die Nebenleitschaufeln 160 können auch ohne die Brennstoffeinspritzöffnungen 170 verwendet werden. Ferner können einige der Nebenleitschaufeln 160 eine Brennstoffeinspritzöffnung 170 haben und andere nicht. Jede Zahl von Nebenleitschaufeln 160 kann verwendet werden.

[0016] Die Nebenleitschaufeln 160 können auch von der Nabe 100 fort verlaufen oder vom Mantel 110 abgehen, wie weiter unten beschrieben.

[0017] Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Swozzle-Brenners 180. In dieser Ausführungsform kann der Swozzle-Brenner 180 eine Anzahl von Nebenleitschaufeln 190 aufweisen, die mindestens zum Teil über das hintere Ende 124 der Brennstoffleitschaufeln 120 hinaus verlaufen. Die Nebenleit-schaufeln 190 können eine ovalartige Form, wie gezeigt, oder jede gewünschte Form oder Grösse haben. Die Nebenleit-schaufeln 190 können auch eine Brennstoffeinspritzöffnung 200 darin aufweisen. Die Nebenleitschaufeln 190 können auch ohne die Brennstoffeinspritzöffnungen 200 verwendet werden. Ferner können einige der Nebenleitschaufeln 190 eine Brennstoffeinspritzöffnung 200 haben und andere nicht. Jede Zahl von Nebenleitschaufeln 190 kann verwendet werden.

[0018] Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Swozzle-Brenners 210. In dieser Ausführungsform kann der Swozzle-Brenner 210 eine Anzahl von Nebenleitschaufeln 220 aufweisen, die um den Mantel 110 herum angeordnet sind, im Gegensatz zur Nabe 100. Die Nebenleitschaufeln 220 können ebenfalls eine ovalartige Form oder jede gewünschte Form oder Grösse aufweisen. Die Nebenleitschaufeln 220 können auch eine Brennstoffeinspritzöffnung darin aufweisen, falls gewünscht. Jede Zahl von Nebenleitschaufeln 220 kann verwendet werden. Mehrere der Nebenleitschaufeln 220 können auf dem Mantel 110 angeordnet sein, während andere auf der Nabe 100 angeordnet sein können.

[0019] Die Verwendung der Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 zwischen den Brennstoffleitschaufeln 120 trägt dazu bei, die Geschwindigkeit des Gemischs aufrechtzuerhalten, da der Brennstoffstrom an jeder Leitschaufel 120 entlang nach hinten verläuft. Das heisst, die Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemischs bleibt im Krümmungsabschnitt jeder der Leitschaufeln 120 hoch, da die Leitschaufeln 120 sich zum hinteren Ende 124 hin verjüngen. Die Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 erlauben daher eine Abnahme in der Verwirbelung und eine Zunahme in der Axialgeschwindigkeit des Gemischs.

Diese beibehaltene, vorbestimmte Geschwindigkeit gestattet eine Abnahme in der Verwirbelung entlang der Hauptleitschaufeln 120, ohne eine Expansionszone oder eine Niedergeschwindigkeitszone benachbart zu den Hauptleitschaufeln 120 zu erzeugen, bis der Strom eine weiter hinten liegende Stelle erreicht hat. Die Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 können auch eine Absonderung gewährleisten, indem sie die Wechselwirkung zwischen den Brennstoffeinspritzöffnungen 170 von gegenüberliegenden Leitschaufeln 120 verhindern. Die Stromabsonderung kann auch die Flammenerhaltungstoleranz verbessern. Die Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 können auch als Löschfläche wirken.

[0020] Die Verwendung der Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 mit den Brennstoffeinspritzöffnungen 170, 200 stellt auch Sekundärbrennstoff einspritzpunkte bereit, sodass der Brennstoffström aus den Hauptbrennstoffeinspritzöffnungen 130 der Brennstoffleitschaufeln 120 reduziert werden kann. Auch die Grösse der Brennstoffeinspritzöffnungen 130 kann reduziert werden. Solch eine Reduktion des Hauptstroms kann die Flammenerhaltungstoleranz verbessern.

[0021] Wie oben beschrieben, werden Brennstoffe mit höherer Reaktivität wie z.B. Wasserstoffreiches Syngas gewöhnlich in einem Diffusionsmodus verbrannt, statt in der Swozzle-Anordnung 90 vorgemischt zu werden. Indem sie für eine höhere Axialgeschwindigkeit des Brennstoffstroms sorgen, können die Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 eine Vormischung dieser Brennstoff mit höherer Reaktivität erlauben, während niedrige Stickoxid (NOx)-Emissionen beibehalten werden. Auch die Notwendigkeit eines Verdünnungsmittelstroms kann reduziert werden. Die Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 können daher bei Brennstoffen mit höherer Reaktivität die Flammenerhaltungstoleranzen verbessern, indem sie für einen gegebenen Druckabfall höhere Axialgeschwindigkeiten ermöglichen.

[0022] Die Brennstoffeinspritzöffnungen 170, 200 der Nebenleit-schaufeln 160, 190, 220 können benutzt werden, um Alternativbrennstoffe einzuspritzen, wodurch eine grössere Brennstoffflexibilität gewährleistet wird. Die Brennstoffeinspritzöffnungen 170, 200 der Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 können auch benutzt werden, um Verdünnungsmittel, Inertgase oder andere Fluidarten einzuspritzen.

[0023] Die Verwendung der Brennstoffeinspritzöffnungen 170, 200 der Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 erlaubt daher einen reduzierten Brennstoffström durch die Hauptleitschaufeln 120 und/oder erlaubt eine Reduktion in der Grösse der Brennstoffeinspritzöffnungen 130. Die Brennstoffeinspritzöffnungen 170, 200 der Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 gewährleisten zudem die Brennstoffflexibilität für Brennstoffe ausserhalb des modifizierten Wobbezahlbereichs der Hauptbrennstoffeinspritz-Öffnungen 130, indem sie die Vormischung anderer Brennstoffe erlauben, um NOx-Emissionen niedrig zu halten.

[0024] Es ist zu ersehen, dass das Obige sich nur auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht und dass von einem Fachmann zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.

Claims

1. Brenner (150) zur Verwendung mit einer Brennkammer (30) eines Gasturbinenmotors (10), umfassend:

eine zentrale Nabe (100);

einen Mantel (110)

ein Paar Brennstoffleitschaufeln (120), die von der zentralen Nabe (100) zum Mantel (110) verlaufen; und

eine Nebenleitschaufel (160), die von der zentralen Nabe (100) und/oder vom Mantel (110) aus verläuft und zwischen dem Paar Brennstoffleitschaufeln (120) angeordnet ist.

2. Brenner (150) nach Anspruch 1, ausserdem umfassend eine Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120) und eine Vielzahl von Nebenleitschaufeln (160), wobei eine von der Vielzahl von Nebenleitschaufeln (160) zwischen jedem Paar von der Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120) angeordnet ist.

3. Brenner (150) nach Anspruch 1, wobei die Nebenleit-schaufel (160) eine Brennstoffeinspritzöffnung (170) aufweist.

4. Brenner (150) nach Anspruch 2, wobei eine oder mehrere von der Vielzahl von Nebenleitschaufeln (160) eine Brennstoffeinspritzöffnung (170) aufweisen.

5. Brenner (150) nach Anspruch 1, wobei jede Brennstoffleitschaufel (120) des Paars eine Flügelform aufweist.

6. Brenner (150) nach Anspruch 1, wobei jede Brennstoffleitschaufel (120) des Paars ein vorderes Ende (122) und ein hinteres Ende (124) aufweist und wobei die Nebenleitschaufel (160) um das hintere Ende (124) herum angeordnet ist.

7. Brenner (150) nach Anspruch 1, wobei jede Brennstoffleitschaufel (120) des Paars ein vorderes Ende (122) und ein hinteres Ende (124) aufweist und wobei die Nebenleitschaufel (160) mindestens zum Teil über das hintere Ende (124) hinaus angeordnet ist.

8. Verfahren zur Mischung von Brennstoff und Luft in einem Brennkammer-Brenner (150) einer Gasturbine (10), umfassend:

das Strömenlassen der Luft in eine Swozzle-Anordnung (90);

das Strömenlassen des Brennstoffs durch eine Anzahl von Brennstoffleitschaufeln (120) in der Swozzle-Anordnung (90);

das Verwirbeln des Luftstroms und des Brennstoffstroms, um einen Vorgemischstrom zu erzeugen; und

das Anordnen einer Nebenleitschaufel (160) zwischen einem Paar von der Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120), um mindestens den Vorgemischstrom auf eine vorbestimmte Geschwindigkeit zu halten, wenn der Vorgemischstrom aus der Vielzahl von Brennstoffdüsen (120) austritt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Strömenlassen des Brennstoffs das Strömenlassen eines Syngases umfasst.

10. Verfahren nach Anspruch 8, ausserdem umfassend das Strömenlassen eines Sekundärbrennstoffstroms durch die Nebenleitschaufel (120).