CH699767B1

CH699767B1 - Brenner zur Verwendung mit einer Brennkammer eines Gasturbinenmotors sowie Verfahren zur Mischung von Brennstoff in dem Brenner.

Info

Publication number: CH699767B1
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: 2015-05-29
Also published as: US20100095675A1; CN101725972A; DE102009026364A1; JP2010096487A; CH699767A2; US8113002B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Brenner (150) zur Verwendung mit einer Brennkammer (30) eines Gasturbinenmotors (10) bereit. Der Brenner (150) weist eine Verwirbler- und Düsen-Anordnung auf, die eine zentrale Nabe (100), einen Mantel (110), wenigstens ein Paar Brennstoffleitschaufeln (120), die von der zentralen Nabe (100) zum Mantel (110) verlaufen, und wenigstens eine Nebenleitschaufel (160), die von der zentralen Nabe (100) und/oder vom Mantel (110) verläuft und zwischen dem Paar Brennstoffleitschaufeln (120) angeordnet ist, umfasst.

Description

Beschreibung Technisches Gebiet

[0001 ] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmotoren und betrifft insbesondere einen BrennkammerBrenner mit Nebenleitschaufeln, die zwischen den Brennstoffleitschaufeln angeordnet sind.

Hintergrund der Erfindung

[0002] 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 Vorgemischflammen 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.

[0003] 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.

[0004] 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 brennstoffflexible Systeme sollten an Erdgas und andere Brennstoffarten angepasst werden können, ohne kostspielige Ausrüstungsumstellungen zu erfordern.

Zusammenfassung der Erfindung

[0005] Die vorliegende Erfindung stellt daher einen Brenner zur Verwendung mit einer Brennkammer eines Gasturbinenmotors gemäss Anspruch 1 bereit, der eine Verwirbler- und Düsen-Anordnung aufweist. Die Verwirbler- und Düsen-Anordnung umfasst einen Kern, einen Mantel, wenigstens ein Paar Brennstoffleitschaufeln, die vom Kern zum Mantel verlaufen, und wenigstens eine Nebenleitschaufel, die vom Kern und/oder Mantel verläuft und zwischen dem Paar Brennstoffleitschaufeln angeordnet ist.

[0006] Die vorliegende Erfindung betrifft ausserdem ein Verfahren zur Mischung von Brennstoff und Luft in einem Brenner einer Gasturbine gemäss Anspruch 15. Das Verfahren umfasst die Schritte des Strömenlassens des Luftstroms in eine Swozzle-Anordnung oder Verwirbler- und Düsen-Anordnung; des Strömenlassens des Brennstoffs durch eine Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln in der Verwirbler- und Düsen-Anordnung, des Verwirbelns des Luftstroms und Brennstoffstroms, um einen Vorgemischstrom zu erzeugen, und des Haltens des Vorgemischstroms auf einer vorbestimmten Geschwindigkeit, wenn der Vorgemischstrom aus der Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln austritt.

[0007] Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Verwirbler- und Düsen-Anordnung gemäss Anspruch 10 zur Verwendung mit einem Brenner eines Gasturbinenmotors bereit. Die Verwirbler- und Düsen-Anordnung umfasst eine zentrale Nabe, einen Mantel, eine Vielzahl von Brennstoff-Leitschaufeln, die von der zentralen Nabe zum Mantel verlaufen, und eine Vielzahl von Nebenleitschaufeln, die von der zentralen Nabe und/oder vom Mantel verlaufen, und wobei eine der Nebenleitschaufeln zwischen jedem Paar der Verwirbler- und Düsen-Ventile oder Brennstoffleitschaufeln liegt.

[0008] Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0009]

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinenmotors.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, teilweise im Querschnitt, eines konventionellen Brenners vom Swozzle- oder Verwirbler-Typ.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der Brennstoffleitschaufeln des Swozzle oder Verwirbler- und Düsen-Brenners von Fig. 2.

2 Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Brennstoffleitschaufeln mit Nebenleitschaufeln im Swozzle-Brenner wie hierin beschrieben.

Fig. 5 ist ein Grundriss einer Nebenleitschaufel von Fig. 4.

Fig. 6 ist eine alternative Ausführungsform des Verwirbler-und Düsen-Brenners, wie hierin beschrieben, mit verlängerten Nebenleitschaufeln.

Fig. 7 ist eine alternative Ausführungsform des Verwirbler- und Düsen-Brenners, wie hierin beschrieben, wobei die Nebenleitschaufeln auf dem Mantel angeordnet sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0010] Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen sich in den Ansichten durchweg auf gleiche Elemente beziehen, zeigt Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinengehäuses 10. Wie bekannt, umfasst der Gasturbinenmotor 10 einen Verdichter 20, 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 Brennstoffstrom und zündet das Gemisch. (Auch wenn nur eine einzige Brennkammer 30 gezeigt wird, umfasst der Gasturbinenmotor 10 eine beliebige Zahl von Brennkammern 30.) 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.

[0011 ] Fig. 2 zeigt einen Verwirbler- und Düsen-Brenner 60, der mit der oben beschriebenen Brennkammer 30 verwendet werden kann. Wie bekannt, weist der Verwirbler- und Düsen -Brenner 60 eine Anzahl von ringförmigen Brennstoffkanälen 70 auf. Einige der ringförmigen Brennstoffkanäle 70 verlaufen zu einer Diffusionsspitze 80, während andere zu einer Verwirbler- und Düsen-Anordnung 90 verlaufen. Die Verwirbler- und Düsen-Anordnung 90 umfasst einen Kern oder eine zentrale Nabe 100 und einen Mantel 1 10, die durch eine Reihe von flügelförmigen Brennstoffleitschaufeln 120 verbunden sind. Jede Leitschaufel 120 weist ein vorderes Ende 122 und ein hinteres Ende 124 auf. Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, weist jede Brennstoffleitschaufel 120 eine oder mehrere Brennstoffeinspritzöffnungen 130 auf. Die Verwirbler- und Düsen-Anordnung 90 definiert auch einen Lufteinlass 140 vor den Brennstoffleitschaufeln 120. Andere Konfigurationen des Verwirbler- und Düsen-Brenners 60 und der Verwirbler- und Düsen-Anordnung 90 können hierin verwendet werden.

[0012] 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 Verwirbler- und Düsen-Anordnung 90 gezündet.

[0013] Fig. 4 und 5 zeigen Abschnitte eines Verwirbler- und Düsen-Brenners 150 wie hierin beschrieben. Der Verwirbler- und Düsen-Brenner 150 umfasst die Komponenten des oben beschriebenen Verwirbler- und Düsen-Brenners 60. Der Verwirbler- und Düsen-Brenner 150 weist auch eine Anzahl von Nebenleitschaufeln 160 auf. Die Nebenleitschaufeln 160 können zwischen den Brennstoffleitschaufeln 120 angeordnet sein, die oben beschrieben wurden. Die Nebenleitschaufeln 160 sind um das hintere oder stromabwärts liegende Ende 124 der Brennstoffleitschaufeln 120 herum angeordnet und verlaufen auf jeder Länge zum vorderen Ende 122 hin, wie bei den zwei rechten Nebenleitschaufeln von Fig. 4 gezeigt. Die Nebenleitschaufeln 160 sind auch überall vor dem hinteren Ende 124 der Brennstoffleitschaufeln 120 angeordnet und verlaufen auf jeder Länge zum vorderen oder stromaufwärts liegende Ende 122 hin, 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 weisen eine oder mehrere Brennstoffeinspritzöffnungen 170 darin auf. 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. Die Nebenleitschaufeln 160 können auch von der Nabe 100 fort verlaufen oder vom Mantel 1 10 abgehen, wie weiter unten beschrieben.

[0014] Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Verwirbler- und Düsen-Brenners 180. In dieser Ausführungsform weist der Verwirbler- und Düsen-Brenner 180 eine Anzahl von Nebenleitschaufeln 190 auf, die mindestens zum Teil über das hintere Ende 124 der Brennstoffleitschaufeln 120 hinaus verlaufen. Die Nebenleitschaufeln 190 haben eine ovalartige Form, wie gezeigt, oder jede gewünschte Form oder Grösse. Die Nebenleitschaufeln 190 weisen auch eine Brennstoffeinspritzöffnung 200 darin auf. 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.

[0015] Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Verwirbler- und Düsen-Brenners 210. In dieser Ausführungsform weist der Verwirbler- und Düsen-Brenner 210 eine Anzahl von Nebenleitschaufeln 220 auf, die um den Mantel 1 10 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

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Claims

Nebenleitschaufeln 220 können auf dem Mantel 110 angeordnet sein, während andere auf der Nabe 100 angeordnet sein können. [0016] 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. [0017] Die Verwendung der Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 mit den Brennstoffeinspritzöffnungen 170, 200 stellt auch Sekundärbrennstoffeinspritzpunkte bereit, sodass der Brennstoffstrom 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. [0018] Wie oben beschrieben, werden Brennstoffe mit höherer Reaktivität wie z.B. wasserstoffreiches Syngas gewöhnlich in einem Diffusionsmodus verbrannt, statt in der Verwirbler- und Düsen-Anordnung 90 vorgemischt zu werden. Indem sie für eine höhere Axialgeschwindigkeit des Brennstoffstroms sorgen, können die Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 eine Vormischung dieser Brennstoffe 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. [0019] Die Brennstoffeinspritzöffnungen 170, 200 der Nebenleitschaufeln 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. [0020] Die Verwendung der Brennstoffeinspritzöffnungen 170, 200 der Nebenleitschaufeln 160, 190, 220 erlaubt daher einen reduzierten Brennstoffstrom 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 Brennstoffeinspritzöffnungen 130, indem sie die Vormischung anderer Brennstoffe erlauben, um NOx-Emissionen niedrig zu halten. [0021 ] 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 Rahmen der Erfindung abzuweichen. Patentansprüche 1. Brenner (150) zur Verwendung mit einer Brennkammer (30) eines Gasturbinenmotors (10), der eine Verwirbler- und Düsen-Anordnung (90) aufweist, welche umfasst: eine zentrale Nabe (100); einen Mantel (1 10) wenigstens ein Paar Brennstoffleitschaufeln (120), die von der zentralen Nabe (100) zum Mantel (1 10) verlaufen; und wenigstens eine Nebenleitschaufel (160), die von der zentralen Nabe (100) und/oder vom Mantel (1 10) aus verläuft und zwischen dem Paar Brennstoffleitschaufeln (120) angeordnet ist.
2. Brenner (150) nach Anspruch 1 , wobei die Verwirbler- und Düsen-Anordnung (90) eine Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120) und eine Vielzahl von Nebenleitschaufeln (160) umfasst, wobei jeweils eine von der Vielzahl von Nebenleitschaufeln (160) zwischen je einem Paar von der Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120) angeordnet ist.
3. Brenner (150) nach Anspruch 1 , wobei die wenigstens eine Nebenleitschaufel (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 wenigstens einen Paars eine Flügelform aufweist. 4
6. Brenner (150) nach Anspruch 1 , wobei jede Brennstoffleitschaufel (120) des wenigstens einen Paars ein stromaufwärts gerichtetes Ende (122) und ein stromabwärts gerichtetes Ende (124) aufweist und wobei die wenigstens eine Nebenleitschaufel (160) im Bereich des stromabwärts gerichteten Endes (124) angeordnet ist.
7. Brenner (150) nach Anspruch 1 , wobei jede Brennstoffleitschaufel (120) des wenigstens einen Paars ein stromaufwärts gerichtetes Ende (122) und ein stromabwärts gerichtetes Ende (124) aufweist und wobei die wenigstens eine Nebenleitschaufel (160) mindestens zum Teil über das stromabwärts gerichtete Ende (124) hinaus angeordnet ist.
8. Verwirbler- und Düsen-Anordnung (90) zur Verwendung mit einem Brenner (150) gemäss Anspruch 2 eines Gasturbinenmotors (10), umfassend: eine zentrale Nabe, einen Mantel, eine Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120), die von der zentralen Nabe zum Mantel verlaufen, und eine Vielzahl von Nebenleitschaufeln (160), die von der zentralen Nabe und/oder vom Mantel verlaufen, und wobei eine der Nebenleitschaufeln (160) zwischen jedem Paar der Brennstoffleitschaufeln (120) liegt.
9. Verwirbler- und Düsen-Anordnung (90) nach Anspruch 8, wobei eine oder mehrere der Vielzahl von Neben-Leitschaufeln (160) eine Brennstoffeinspritzöffnung (170) aufweisen.
10. Verwirbler- und Düsen-Anordnung (90) nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120) ein stromaufwärts liegendes Ende (122) sowie ein stromabwärts liegendes Ende (124) aufweisen und wobei die Vielzahl von Nebenschaufeln (160) im Bereich des stromabwärts liegenden Endes (124) angeordnet sind.
1 1. Verwirbler- und Düsen-Anordnung (90) nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120) ein stromaufwärts liegendes Ende (122) sowie ein stromabwärts liegendes Ende (124) aufweisen und wobei die Vielzahl von Nebenschaufeln (160) mindestens zum Teil über das stromabwärts liegende Ende (124) hinaus verlaufen.
12. Verfahren zur Mischung von Brennstoff und Luft in einem Brenner (150) gemäss Anspruch 1 , 2 oder 3, umfassend: das Strömenlassen der Luft in der Verwirbler- und Düsen-Anordnung (90); das Strömenlassen des Brennstoffs durch eine Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120) in der Verwirbler- und Düsen-Anordnung (90); das Verwirbeln des Luftstroms und des Brennstoffstroms, um einen Vorgemischstrom zu erzeugen; und das Halten des Vorgemischstroms auf einer vorbestimmten Geschwindigkeit, wenn der Vorgemischstrom aus der Vielzahl von Brennstoffleitschaufeln (120) austritt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Strömenlassen des Brennstoffs das Strömenlassen eines Syngases umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Strömenlassen des Brennstoffs das Strömenlassen von Erdgas umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 12, ausserdem umfassend das Strömenlassen eines Sekundärbrennstoffstroms durch die Nebenleitschaufel (160).
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Strömenlassen eines Sekundärbrennstoffstroms das Strömenlassen eines Verdünnungsmittels oder eines Inertgases umfasst. 5