CH699911B1

CH699911B1 - Brennkammer und Verfahren zum Mischen eines Druckluftstroms.

Info

Publication number: CH699911B1
Application number: CH01622/06A
Authority: CH
Inventors: Daniel D Vandale; Girard A Simons
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2010-05-31
Also published as: CN1952487A; US7836698B2; JP5008062B2; US20070089426A1; DE102006050422A1; JP2007113911A; CN1952487B

Abstract

Brennkammer (120) zum Vermischen eines Druckluftstroms (150) aus einem Verdichter (110) mit einem Kraftstoffstrom (170) aus einer Kraftstoffquelle (160). Die Brennkammer (120) umfasst eine erste Wirbelkammer (180) zum Vermischen des Druckluftstroms (150) und des Kraftstoffstroms (170) zu einem ersten Kraftstoff-Luft-Strom (190), eine zweite Stromquelle (200) zum Bereitstellen eines zweiten Stroms (210) stromabwärts der ersten Wirbelkammer (180) und eine zweite Wirbelkammer (220) zum Vermischen des ersten Kraftstoff-Luft-Stroms (190) und des zweiten Stroms (210).

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Brennkammer zum Mischen eines Druckluftstroms aus einem Verdichter mit einem Kraftstoffstrom aus einer Kraftstoffquelle und ein Verfahren hierzu.

Hintergrund der Erfindung

[0002] Gasturbinenmotoren umfassen im Allgemeinen einen Verdichter zur Verdichtung der Ansaugluft. Die Luft wird mit Kraftstoff vermischt und in einer Brennkammer gezündet, um Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase wiederum strömen zu einer Turbine. Die Turbine entnimmt den Gasen Energie, um eine Welle anzutreiben. Die Welle treibt den Verdichter und im Allgemeinen einen weiteren Verbraucher an, so zum Beispiel einen elektrischen Generator.

[0003] Aus den Verbrennungsgasen entstandene Abgasemissionen sind ein Problem und müssen sich innerhalb zugelassener Grenzen bewegen. Bestimmte Arten von Gasturbinenmotoren sind für einen Betrieb mit geringen Abgasemissionen entworfen worden, insbesondere für einen Betrieb mit niedriger NOx-(Stickstoffoxiden)Emission, einer minimalen Verbrennungsdynamik und weiten Selbstzündungs- und Flammenstabilisierungsgrenzen. Brennkammern mit niedriger NOx-Emission sind typischerweise in Form einer Anzahl an Flammenrohren ausgebildet, die, über den Umfang des Motors verteilt, umfänglich aneinander angrenzen. In jedem Brenner kann eine Wirbelkammerposition vorgesehen sein. Die Wirbelkammern können eine Anzahl an umfangsverteilt voneinander beabstandeten Blechen zum Verwirbeln und Vermischen der Druckluft und des Kraftstoffs, die durch diese hindurchströmen, aufweisen.

[0004] Bei bekannten Gasturbinenmotoren besteht ein Problem darin, ein möglichst homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch und einen möglichst konstanten Wobbe-Index zu erzielen. In der Vergangenheit wurde der Wobbe-Index durch externe Kraftstofferwärmung gesteuert. Die Probleme der Flammenstabilisierungs- und Selbstzündungsgrenzen und des homogenen Mischens von Kraftstoff und Luft wurden teilweise durch Änderung der Winkel an den Drallblechen der Kraftstoffdüsen und/oder durch Änderung des Verfahrens, mit welchem der Kraftstoff in die Luft eingebracht wird und umgekehrt, gelöst, d.h., es kann eine Quer- bzw. eine koaxiale Strömung verwendet werden. Je homogener die Strömung, umso wirksamer der Verbrennungsprozess bei geringerer Emission.

[0005] Es besteht daher der Wunsch nach einem Gasturbinenmotor mit verbesserten Kraftstoff-Luft-Gemisch, Verbrennungsdynamik, Wobbe-Steuerung und Flammenstabilisierungs- und Selbstzündungsgrenzen, insbesondere im Zusammenhang mit niedriger NOx-Verbrennung. Die verbesserte Verbrennung sollte erreicht werden, ohne dass dadurch ein Verlust an Motorleistung entsteht.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0006] Die vorliegende Schrift beschreibt daher eine Brennkammer zum Mischen eines Druckluftstroms aus einem Verdichter und eines Kraftstoffstroms aus einer Kraftstoffquelle. Die Brennkammer umfasst eine erste Wirbelkammer zum Vermischen des Druckluftstroms und des Kraftstoffstroms zu einem ersten Kraftstoff-Luft-Strom, eine zweite Stromquelle zum Bereitstellen eines zweiten Stroms stromabwärts der ersten Wirbelkammer und eine zweite Wirbelkammer zum Vermischen des ersten Kraftstoff-Luft-Stroms und des zweiten Stroms.

[0007] Die zweite Stromquelle ist zum Bereitstellen eines vom zweiten Strom umfassten zweiten Kraftstoffstroms ausgebildet. Die zweite Stromquelle umfasst einen Kraftstoffeinspritzer. Die zweite Stromquelle ist zum Bereitstellen eines vom zweiten Strom umfassten zweiten Druckluftstroms ausgebildet. Die zweite Stromquelle umfasst eine Druckluftquelle. Die erste Wirbelkammer ist zum Bereitstellen eines vom ersten Kraftstoff-Luft-Strom umfassten nicht brennbaren Gemisches ausgebildet. Ein zweiter Kraftstoff-Luft-Strom verlässt die zweite Wirbelkammer, welche zum Bereitstellen eines vom zweiten Kraftstoff-Luft-Strom umfassten brennbaren Gemisches ausgebildet ist.

[0008] Der erste Kraftstoff-Luft-Strom kann ein Gleichwertigkeitsverhältnis von etwa null (0) bis etwa einhalb (0,5) (niedrig) bzw. von etwa eins (1,0) bis 1,3 (hoch) umfassen und ein nicht brennbares Gemisch sein. Der zweite Kraftstoff-Luft-Strom strömt aus der zweiten Wirbelkammer. Der zweite Kraftstoff-Luft-Strom kann ein Gleichwertigkeitsverhältnis von einhalb (0,5) bis etwa eins (1) umfassen und ein brennbares Gemisch sein.

[0009] Die vorliegende Schrift beschreibt ein Verfahren zum Vermischen eines Druckluftstroms aus einem Verdichter und eines Kraftstoffstroms aus einer Kraftstoffquelle. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Vermischen des Druckluftstroms und des Kraftstoffstroms zu einem ersten Kraftstoff-Luft-Strom in einer ersten Wirbelkammer, Hinzufügen eines zweiten Stroms stromabwärts der ersten Wirbelkammer, und Vermischen des ersten Kraftstoff-Luft-Stroms und des zweiten Stroms in einer zweiten Wirbelkammer.

[0010] Vorzugsweise wird der erste Kraftstoff-Luft-Strom und ein vom zweiten Strom umfasster zweiter Kraftstoffstrom und/oder zweiter Druckluftstrom in der zweiten Wirbelkammer vermischt. Der erste Kraftstoff-Luft-Strom kann ein Gleichwertigkeitsverhältnis von etwa null (0) bis etwa einhalb (0,5) (niedrig) bzw. von etwa eins (1,0) bis 1,3 (hoch) umfassen und ein nicht brennbares Gemisch sein. Der zweite Kraftstoff-Luft-Strom strömt aus der zweiten Wirbelkammer. Der zweite Kraftstoff-Luft-Strom kann ein Gleichwertigkeitsverhältnis von etwa einhalb (0,5) bis etwa eins (1) umfassen und ein brennbares Gemisch sein.

[0011] In einer beispielhaften Anordnung kann eine Gasturbine einen Verdichter umfassen, und eine Brennkammer kann stromabwärts des Verdichters angeordnet sein. Die Brennkammer kann eine Anzahl an Wirbelkammern umfassen.

[0012] Die Wirbelkammern können eine erste Wirbelkammer und eine zweite Wirbelkammer umfassen, wobei zwischen den Wirbelkammern eine Stromquelle angeordnet ist. Die Stromquelle kann einen Kraftstoffeinspritzer und/oder eine Druckluftquelle umfassen.

[0013] Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung ergeben sich dem Fachmann aus der nun folgenden näheren Beschreibung und der Zeichnung sowie den angehängten Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0014] Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines hier beschriebenen Gasturbinenmotors.

Ausführliche Beschreibung

[0015] Mit Bezug auf die Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen in der gesamten Ansicht die gleichen Elemente bezeichnen, zeigt Fig. 1 einen Turbinenmotor 100, wie er hier beschrieben wird. Der Turbinenmotor 100 umfasst einen Verdichter 110, der mit einer Brennkammer 120 mit niedriger NOx-Emission und einer Turbine 130 in Reihe strömungsverbunden ist. Es können auch andere Arten von Brennkammern 120 hier verwendet werden. Die Turbine 130 ist über eine Antriebswelle 140 mit dem Verdichter 110 gekoppelt. Die Antriebswelle 140 kann sich von diesem erstrecken, um einen nicht dargestellten, elektrischen Generator oder eine andere Art eines externen Verbrauchers anzutreiben. Im Betrieb wird ein Druckluftstrom 150 aus dem Verdichter 110 in die Brennkammer 120 geführt.

Gleichermassen führt ein Kraftstoffeinspritzer 160 einen Kraftstoffstrom 170 zu dessen Vermischung der Brennkammer 110 zu. Die Brennkammer 120 kann eine Anzahl an Brennkammerrohren 125 umfassen, von denen eines in Fig. 1 zu sehen ist.

[0016] Eine erste Wirbelkammer 180 ist in dem Brennkammerrohr 125 stromabwärts des Kraftstoffeinspritzers 160 und des Verdichters 110 angeordnet. Wie eingangs beschrieben kann die erste Wirbelkammer 180 eine Anzahl an beabstandeten Blechen zum Verwirbeln des Druckluftstroms 150 und des Kraftstoffstroms 170 umfassen, um das Vermischen der Ströme 150, 170 zu fördern. Die erste Wirbelkammer 180 kann in herkömmlicher Weise ausgestaltet sein. Ein erstes Kraftstoff-Luft-Gemisch 190 verlässt die erste Wirbelkammer 180. Vorzugsweise liegt das erste Kraftstoff-Luft-Gemisch 190 unterhalb des unteren Entflammbarkeitsbereiches. So kann zum Beispiel das erste örtliche Kraftstoff-Luft-Gemisch 190 ein Gleichwertigkeitsverhältnis von etwa null (0) bis etwa einhalb (0,5) aufweisen.

(Dies entspricht einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 0,292, wobei davon ausgegangen wird, dass der Kraftstoff aus 100% Methan besteht.) Das erste Kraftstoff-Luft-Gemisch 190 jedoch kann kraftstoffreich (nicht brennbar), brennbar, oder kraftstoffarm (nicht brennbar) sein. Ein Verhältnis oberhalb des Entflammbarkeitsindexes läge zwischen etwa 1,0 bis etwa 1,3. Das Verhältnis kann im Allgemeinen durch die Menge an von dem Verdichter 110 erzeugter Luft gesteuert werden.

[0017] Das Verdichterrohr 125 weist auch eine zweite Stromquelle 200 auf, die stromabwärts der ersten Wirbelkammer 180 angeordnet ist. Die zweite Stromquelle 200 spritzt einen zweiten Strom 210 in das erste Kraftstoff-Luft-Gemisch 190 ein. Je nach der Beschaffenheit des ersten Kraftstoff-Luft-Gemisches 190 kann die zweite Stromquelle 200 ein zweiter Kraftstoffeinspritzer zum Einspritzen eines zweiten Kraftstoffstroms sein, oder die zweite Stromquelle 200 kann eine zweite Druckluftquelle sein, so dass ein zweiter Druckluftstrom bereitgestellt wird. Die zweite Druckluftquelle kann einen zusätzlichen Verdichter, Betriebsluft oder ähnliche Quellen umfassen. Durch das Einspritzen eines zweiten Druckluftstroms kann der untere Heizwert der in die Turbine 130 einströmenden Ströme beeinflusst werden.

Alternativ hierzu können ein zweiter Kraftstoffeinspritzer und eine zweite Druckluftquelle verwendet werden.

[0018] Das Brennkammerrohr 125 weist eine stromabwärts der zweiten Kraftstoffquelle 200 angeordnete zweite Wirbelkammer 220 auf. Das erste Kraftstoff-Luft-Gemisch 190 und der zweite Strom 210 werden in der zweiten Wirbelkammer 220 verwirbelt und vermischt. Die zweite Wirbelkammer 220 kann ähnlich wie die erste Wirbelkammer 180 ausgebildet sein. Ein zweites Kraftstoff-Luft-Gemisch 230 strömt aus der zweiten Wirbelkammer 220. Das zweite Kraftstoff-Luft-Gemisch 230 liegt innerhalb des Entflammbarkeitsbereichs. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch 230 kann ein Gleichwertigkeitsverhältnis von etwa einhalb (0,5) bis etwa eins (1) aufweisen.

[0019] Obzwar hier zwei (2) Wirbelkammern 180, 220 gezeigt und verwendet werden, so kann eine beliebige Zahl an Wirbelkammern 180, 220 zum Einsatz kommen. Zusätzliche Kraftstoff- bzw. Lufteinspritzungen können ebenfalls verwendet werden.

[0020] Das zweite Kraftstoff-Luft-Gemisch 230 kann gezündet werden, um Verbrennungsgase 240 zu erzeugen. Wie eingangs beschrieben, entnimmt die Turbine 130 die Energie aus den Verbrennungsgasen 240, um die Welle 140 in Drehung zu versetzen, so dass der Verdichter 110 angetrieben wird und eine Ausgangsleistung erzeugt wird, mit der der Generator bzw. ein anderer äusserer Verbraucher angetrieben werden kann.

[0021] Die Verwendung der ersten und zweiten Wirbelkammern 180, 220 ermöglicht ein homogeneres zweites Kraftstoff-Luft-Gemisch 230. Dadurch kann der Turbinenmotor 100 insgesamt niedrigere Emissionen erzeugen und dabei gleichzeitig leistungsfähiger sein. So kann zum Beispiel der Turbinenmotor 100 NOx-Emissionen von zwischen etwa 9 ppm ("parts per million") und etwa 25 ppm (korrigiert auf 15% O2) erzeugen, wenn er über einen vorgegebenen Zeitraum bei einem Prozesswirkungsgrad von etwa 35% betrieben wird. Kohlenstoffmonoxid und andere Emissionsarten werden ebenfalls reduziert.

[0022] Es sollte erkennbar sein, dass das oben Genannte sich lediglich auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht und dass es im Rahmen der Erfindung, wie sie in den nachstehenden Ansprüchen definiert wird, durchaus möglich ist, zahlreiche Änderungen und Abänderungen vorzunehmen.

Claims

1. Brennkammer (120) zum Mischen eines Druckluftstroms (150) aus einem Verdichter (110) mit einem Kraftstoffstrom (170) aus einer Kraftstoffquelle (160), umfassend:

eine erste Wirbelkammer (180) zum Vermischen des Druckluftstroms (150) und des Kraftstoffstroms (170) zu einem ersten Kraftstoff-Luft-Strom (190);

eine zweite Stromquelle (200) zum Bereitstellen eines zweiten Stroms (210) stromabwärts der ersten Wirbelkammer (180); und

eine zweite Wirbelkammer (220) zum Vermischen des ersten Kraftstoff-Luft-Stroms (190) und des zweiten Stroms (210).

2. Brennkammer (120) nach Anspruch 1, wobei die zweite Stromquelle (200) zum Bereitstellen eines vom zweiten Strom (210) umfassten zweiten Kraftstoffstroms ausgebildet ist.

3. Brennkammer (120) nach Anspruch 2, wobei die zweite Stromquelle (200) einen Kraftstoffeinspritzer umfasst.

4. Brennkammer (120) nach Anspruch 1, wobei die zweite Stromquelle (200) zum Bereitstellen eines vom zweiten Strom (210) umfassten zweiten Druckluftstroms ausgebildet ist.

5. Brennkammer (120) nach Anspruch 4, wobei die zweite Stromquelle (200) eine Druckluftquelle umfasst.

6. Brennkammer (120) nach Anspruch 1, wobei die erste Wirbelkammer (180) zum Bereitstellen eines vom ersten Kraftstoff-Luft-Strom (190) umfassten nicht brennbaren Gemisches ausgebildet ist.

7. Brennkammer (120) nach Anspruch 1, wobei die zweite Wirbelkammer derart ausgebildet ist, dass ein zweiter Kraftstoff-Luft-Strom (230) die zweite Wirbelkammer (220) verlassen kann, wobei die zweite Wirbelkammer zum Bereitstellen eines vom zweiten Kraftstoff-Luft-Strom (230) umfassten brennbaren Gemisches ausgebildet ist.

8. Verfahren zum Vermischen eines Druckluftstroms (150) aus einem Verdichter (110) und eines Kraftstoffstroms (170) aus einer Kraftstoffquelle (160), umfassend:

Vermischen des Druckluftstroms (150) und des Kraftstoffstroms (170) zu einem ersten Kraftstoff-Luft-Strom (190) in einer ersten Wirbelkammer (180),

Hinzufügen eines zweiten Stroms (210) stromabwärts der ersten Wirbelkammer (180), und

Vermischen des ersten Kraftstoff-Luft-Stroms (190) und des zweiten Stroms (210) in einer zweiten Wirbelkammer (220).

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Kraftstoff-Luft-Strom (190) und ein vom zweiten Strom (210) umfasster zweiter Kraftstoffstrom in der zweiten Wirbelkammer (220) vermischt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Kraftstoff-Luft-Strom (190) und ein vom zweiten Strom (210) umfasster zweiter Druckluftstrom in der zweiten Wirbelkammer (220) vermischt werden.