CH701295A2 - Brennstoff/Luft-Vormischer für ein Brennersystem einer Gasturbine mit einem Lufteinlass und mindestens zwei Brennstoffdüsen. - Google Patents

Abstract

Ein Brennstoff/Luft-Vormischer zum Einsatz in einem Brenner in einem Brennersystem einer Gasturbine schliesst einen Lufteinlass (1) eine fixierte Düsengeometrie (4) und einen ringförmigen Mischdurchgang (3) ein. Der Brennstoff/Luft-Vormischer vermischt Brennstoff und Luft in dem ringförmigen Mischdurchgang zur Injektion in eine Brenner-Reaktionszone (5). Eine Vielzahl von Brennstoffquellen (21, 22) ist mit der fixierten Düsengeometrie verbunden und jede der Brennstoffquellen kann mit der fixierten Düsengeometrie zusammenarbeiten, um mehrere Brennstoffströmungsvariationen zu bewirken, einschliesslich Variationen in der Brennstoffart, Brennstoffmischung, Volumenströmung und Druckverhältnisse.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf industrielle Hochleistungs-Gasturbinen und im Besonderen auf einen Brenner für eine industrielle Gasturbine mit einem Brennstoff/Luft-Vormischer, der Mischungen von mehreren Gasströmen für erwünschte Leistungsfähigkeit ermöglicht, wie Brennstoffvermischen für Emissionen, Flammenhalte-Robustheit und Regelung von Verbrennungs-Oszillationen.

[0002] Gasturbinen-Hersteller sind derzeit in Forschungs- und Entwicklungsprogrammen zum Herstellen neuer Gasturbinen involviert, die bei hoher Effizienz arbeiten, ohne unerwünschte Luft verunreinigende Emissionen zu erzeugen. Die primären Luft verunreinigenden Emissionen, die üblicherweise durch Gasturbinen erzeugt werden, die konventionelle Kohlenwasserstoff-Brennstoffe verbrennen, sind Oxide von Stickstoff, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Es ist im Stande der Technik bekannt, dass die Oxidation molekularen Stickstoffes in Luft verbrauchenden Triebwerken stark vom Maximum der Temperatur des heissen Gases in der Brennersystem-Reaktionszone abhängig ist. Die Rate chemischer Reaktionen, die Oxide von Stickstoff (NOx) bilden, ist eine exponentielle Funktion der Temperatur. Wird die Temperatur des heissen Gases der Brennkammer auf ein genügend geringes Niveau geregelt, dann wird thermisches NOx nicht erzeugt.

[0003] Ein bevorzugtes Verfahren zum Regeln der Temperatur der Reaktionszone eines Wärmetriebwerkbrenners unter das Niveau, bei dem thermisches NOx gebildet wird, besteht darin, Brennstoff und Luft vor der Verbrennung zu einer mageren Mischung zu vermischen. Die thermische Masse der in der Reaktionszone eines Brenners mit magerer Vormischung vorhandenen Luft absorbiert Wärme und verringert den Temperaturanstieg der Verbrennungsprodukte auf ein Niveau, bei dem thermisches NOxnicht gebildet wird.

[0004] Mit Trockenbrennern geringer Emissionen, die mit dem mageren Vorgemisch von Brennstoff und Luft betrieben werden, sind verschiedene Probleme verbunden. Das heisst, entflammbare Mischungen von Brennstoff und Luft existieren innerhalb des Vormischabschnittes des Brenners, der ausserhalb der Reaktionszone des Brenners liegt. Aufgrund eines Flammenrückschlags gibt es eine Neigung, dass im Vormischabschnitt eine Verbrennung stattfindet, wobei der Flammenrückschlag auftritt, wenn die Flamme aus der Brenner-Reaktionszone in den Vormischabschnitt vordringt oder eine Selbstzündung stattfindet, die auftritt, wenn die Aufenthaltszeit und Temperatur der Brennstoff/Luft-Mischung in dem Vormischabschnitt ausreichen, sodass ohne einen Zünder eine Verbrennung eingeleitet wird. Die Folgen der Verbrennung im Vormischabschnitt sind eine Verschlechterung der Emissions-Leistungsfähigkeit und/oder ein Überhitzen und Beschädigen des Vormischabschnittes, der typischerweise nicht vorgesehen ist der Verbrennungswärme zu widerstehen. Ein zu lösendes Problem ist daher, einen Flammenrückschlag oder eine Selbstzündung zu verhindern, die zu einer Verbrennung innerhalb des Vormischers führen.

[0005] Zusätzlich muss die Mischung aus Brennstoff und Luft, die aus dem Vormischer austritt und in die Reaktionszone des Brenners eintritt, sehr gleichmässig sein, um die erwünschte Emissions-Leistungsfähigkeit zu erzielen. Wenn Regionen in dem Strömungsfeld existieren, in denen die Brennstoff/Luft-Mischungsstärke signifikant reicher ist als im Mittel, dann erreichen der Verbrennungsprodukte in diesen Regionen eine höhere Temperatur als im Mittel und es wird thermisches NOxgebildet. Dies kann dazu führen, dass in Abhängigkeit von der Kombination von Temperatur und Aufenthaltszeit die vorgesehenen NOx-Emissionsziele nicht erreicht werden. Existieren Regionen in dem Strömungsfeld, in denen die Brennstoff/Luft-Mischungsstärke signifikant magerer ist als im Mittel, dann kann ein Auslöschen auftreten, wobei Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid nicht zu Gleichgewichtsniveaus oxidiert werden. Dies kann zu einem Versagen führen, die Ziele der Kohlenmonoxid (CO)- und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoff (UHC)-Emissionen zu erreichen. Ein anderes noch zu lösendes Problem ist es, eine Brennstoff/Luft-Mischungsstärkenverteilung zu erzeugen, die den Vormischer verlässt, die genügend gleichmässig ist, um die Ziele der Emissions-Leistungsfähigkeit zu erzielen.

[0006] Um die Ziele der Emissions-Leistungsfähigkeit zu erzielen, die der Gasturbine bei vielen Anwendungen auferlegt sind, ist es erforderlich, die Brennstoff/Luft-Mischungsstärke bis zu einem Niveau zu verringern, das nahe der mageren Entflammbarkeitsgrenze für die meisten Kohlenwasserstoff-Brennstoffe liegt. Dies führt zu einer Verringerung der Flammen-Ausbreitungsgeschwindigkeit ebenso wie der Emissionen. Als eine Folge neigen Brenner mit magerer Vormischung zu geringerer Stabilität als konventionellere Diffusionsflammen-Brenner und es resultiert häufig eine durch Verbrennung bei hohem Niveau angetriebene dynamische Druckaktivität. Diese dynamische Druckaktivität bei hohem Niveau kann nachteilige Folgen haben, wie Brenner- und Turbinenbeschädigung aufgrund von Abrieb oder Ermüdung, Flammenrückschlag oder Ausblasen. Ein weiteres zu lösendes Problem ist daher die Regelung der verbrennungsgetriebenen dynamischen Druckaktivität auf ein akzeptabel geringes Niveau.

[0007] Brennstoffinjektoren mit magerer Vormischung zur Emissionsverminderung sind in der Industrie üblich und wurden in industriellen Hochleistungs-Gasturbinen für mehr als zwei Dekaden eingesetzt. Ein repräsentatives Beispiel einer solchen Vorrichtung ist in der US-PS Nr. 5 259 184 beschrieben, die auf die General Electric Company übertragen ist. Solche Vorrichtungen haben einen grossen Fortschritt auf dem Gebiet der Abgas-Emissionsverringerung von Gasturbinen erzielt. Die Verringerung von Emissionen von Oxiden des Stickstoffs, NOx, um eine Grössenordnung oder mehr mit Bezug auf die Diffusionsflammenbrenner des Standes der Technik wurden ohne Verdünnungsmittel-Injektion, wie Dampf oder Wasser, erzielt.

[0008] Diese Gewinne in der Emissions-Leistungsfähigkeit wurden jedoch auf Kosten mehrerer Probleme erzielt. Im Besonderen resultieren Flammenrückschlag und Flammenhalten innerhalb des Vormischungsabschnittes der Vorrichtung in einer Verschlechterung der Emissions-Leistungsfähigkeit und/oder der Vorrichtungs-Beschädigung aufgrund von Überhitzen. Zusätzlich resultieren erhöhte Niveaus der verbrennungsgetriebenen dynamischen Druckaktivität in einer Reduktion brauchbarer Lebensdauer von Brennersystemteilen und/oder anderen Teilen der Gasturbine aufgrund von Abrieb oder Langzeitermüdung. Weiter wird die Betriebskomplexität von Gasturbinen erhöht und/oder Betriebsbeschränkungen der Gasturbine sind erforderlich, um Zustände zu vermeiden, die zu einer dynamischen Druckaktivität hohen Niveaus, Flammenrückschlag oder Ausblasen führen.

[0009] Zusätzlich zu diesen Problemen haben konventionelle Brenner mit magerer Vormischung keine maximalen Emissions-Verringerungen erzielt, die mit einem perfekten, gleich-massigen Vormischen von Brennstoff und Luft möglich sind.

[0010] Ein Beispiel eines Verfahrens zum Verringern der Amplitude der verbrennungsgetriebenen dynamischen Druckaktivität in mager vorvermischten Trockenbrennern geringer Emissionen findet sich in der US-PS 5 211 004, die auf die General Electric Company übertragen ist. Eine Verbesserung, die auf den Prinzipien dieses Standes der Technik aufbaut, ist in der US-PS 6 438 961 beschrieben, die ebenfalls auf die General Electric Company übertragen ist. Diese PS beschreibt das Regeln sowohl des radialen Brennstoff/Luft-Profils als auch des Brennstoff-Injektionsdruckabfalles, um die Verstärkung zu minimieren oder zu beseitigen, die sich aus dem schwachen Grenzoszillationszyklus ergibt. Die Patentschrift beschreibt auch einzigartige Merkmale des Vormischers, die verursachen, dass er Leistungsverbesserungen mit Bezug auf den Stand der Technik in allen obigen Problembereichen erzielt. Das System erzielt eine Leistungsfähigkeit der Abgasemissionen der Gasturbine, die gegenüber der Leistungsfähigkeit von mager vorvermischten Trockenbrennern geringer Emissionen nach dem Stande der Technik hervorragend ist bei erhöhten Brenntemperaturen der fortgeschrittensten industriellen Hochleistungs-Gasturbinen. Im Besonderen werden die Emissionen von Oxiden des Stickstoffs (NOx) minimiert, ohne Kohlenmonoxid (CO)-oder unverbrannte Kohlenwasserstoff (UHC)-Emissionen zu beeinträchtigen. Zusätzlich verbessert die PS die Beständigkeit gegen Flammenrückschlag und Flammenhalten innerhalb des Vormischers mit Bezug auf mager vorvermischte Trockenbrenner geringer Emissionen nach dem Stande der Technik für industrielle Hochleistungs-Gasturbinenanwendung. Weiter verringert die PS das Niveau der verbrennungsgetriebenen dynamischen Druckaktivität und erhöht die Grenze des mageren Ausblasens über den gesamten Betriebsbereich der Gasturbine mit Bezug auf mager vorvermischte Trockenbrenner geringer Emissionen der derzeitigen Technologie für industrielle Hochleistungs-Gasturbinen.

[0011] Es wäre erwünscht, die Anzahl der Brennstoff-Einlässe/Durchgänge in dem bekannten System zu erhöhen, um das Eintreten mehrerer Gasströme in den Vormischdurchgang für erwünschte Leistungsfähigkeit zu gestatten. Hinzugefügte Brennstoff einlasse gestatten auch grosse Wobbe-Index-Variationen innerhalb einer fixierten Düsengeometrie.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0012] In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Brennstoff/Luft-Vormischer für den Einsatz in einem Brenner in einem Brennersystem einer Gasturbine vorgesehen. Der Brennstoff/Luft-Vormischer schliesst einen Lufteinlass, mindestens zwei Brennstoffeinlasse, entsprechende mindestens zwei Brennstoffquellen, die mit den mindestens zwei Brennstoff einlassen gekoppelt sind, und einen ringförmigen Mischdurchgang ein. Der Brennstoff/Luft-Vormischer vermischt Brennstoff und Luft in dem ringförmigen Mischdurchgang zur Injektion in eine Brenner-Reaktionszone. Eine Dralldüsen-Baueinheit ist stromabwärts des Lufteinlasses angeordnet. Die Dralldüsen-Baueinheit kann eine Vielzahl sich drehender Schaufeln einschliessen, die positioniert sind, der hereinkommenden Luft einen Drall zu erteilen. Jede der sich drehenden Schaufeln schliesst einen internen Brennstoff-Strömungsdurchgang ein, der in Verbindung steht mit mindestens einem der Brennstoffeinlasse. Zumindest einige der Brennstoffeinlasse und der Brennstoffquellen sind regelbar, um ein Brennstoff-Vermengen zu bewirken und innerhalb einer festgelegten Geometrie Wobbe-Index-Variationen zu bewirken.

[0013] In einer anderen beispielhaften Ausführungsform schliesst ein Brennstoff/Luft-Vormischer zum Einsatz in einem Brenner in einem Brennersystem einer Gasturbine einen Lufteinlass, eine festgelegte Düsengeometrie und einen ringförmigen Mischdurchgang ein, wobei der Brennstoff/Luft-Vormischer Brennstoff und Luft in dem ringförmigen Mischdurchgang zur Injektion in eine Brenner-Reaktionszone mischt. Mehrere Brennstoffquellen sind mit der festgelegten Düsengeometrie verbunden und mindestens einige der Brennstoffquellen arbeiten mit der festgelegten Düsengeometrie zum Bewirken mehrfacher Brennstoffströmungsvariationen zusammen, die Variationen in der Brennstoffart, Brennstoffmischung, Volumenströmung und Druckverhältnissen einschliessen.

[0014] In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform schliesst ein Verfahren zum Vorvermischen von Brennstoff und Luft in einem Brenner in einem Brennersystem einer Gasturbine die Stufen ein (a) Strömenlassen mehrerer Brennstoffströme in den ringförmigen Mischdurchgang durch die Brennstoff einlasse; (b) Regeln des Brennstoff-Vermengens und der Brennstoffmischung hinsichtlich erwünschter Leistungsfähigkeit und (c) Regeln von Volumenströmung und Druckverhältnissen von mindestens einigen der Brennstoffströme, um Wobbe-Index-Variationen innerhalb einer festgelegten Geometrie anzupassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0015] Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht durch einen konventionellen Brenner;

[0016] Fig. 2 veranschaulicht die Luftverwirbeler- oder Dralldüsen-Baueinheit eines Vormischers gemäss dem konventionellen Brenner;

[0017] Fig. 3 ist eine Anschlussansicht der sich drehenden Schaufeln der Dralldüsen-Baueinheit, die in Fig. 2veranschaulicht ist, und

[0018] Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform mit mehreren Brennstoffdurchgängen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0019] Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht durch den in US-PS 6,438,961 beschriebenen Brenner und Fig. 2 und 3 zeigen Einzelheiten der Drall-Baueinheit mit Brennstoffinjektion durch die sich drehenden Schaufeln oder Verwirbeler. In der Praxis würde eine Luft-zerstäubende Flüssigkeitsbrennstoff-Düse im Zentrum der Brenner-Baueinheit installiert werden, um duale Brennstofffähigkeit zu schaffen; diese Flüssigbrennstoff-Düsenbaueinheit bildet jedoch nicht Teil der Erfindung und wurde der Klarheit halber aus den Darstellungen weggelassen. Die Brennerbaueinheit ist der Funktion nach in vier Regionen unterteilt, einschliesslich einem Einlassströmungs-Konditionierer 1, einer Drall-Baueinheit mit Erdgasbrennstoff-Injektion (als Dralldüsen-Baueinheit bezeichnet) 2, einem ringförmigen Brennstoff/Luft-Mischungsdurchgang 3 und einer zentralen Diffusionsflammen-Erdgasbrennstoff-Düsenbaueinheit 4.

[0020] Luft tritt aus einem Hochdruckraum 6, der die gesamte Baueinheit mit Ausnahme des Ausgangsendes umgibt, das in die Brenner-Reaktionszone 5 eintritt, ein. Der grösste Teil der Luft zur Verbrennung tritt über den Einlassströmungs-Konditionierer (IFC) 1 in den Vormischer ein. Der IFC schliesst einen ringförmigen Strömungsdurchgang 15 ein, der durch eine feste zylindrische innere Wand 13 am Innenseiten-Durchmesser, eine perforierte zylindrische Aussenwand 12 am Aussenseiten-Durchmesser und eine perforierte Endkappe 11 am stromaufwärts gelegenen Ende begrenzt ist. Im Zentrum des Strömungsdurchgangs 15 befinden sich ein oder mehrere sich ringförmig drehende Schaufeln 14. Vormischerluft tritt über die Perforationen in der Endkappe und der zylindrischen äusseren Wand in den IFC 1 ein.

[0021] Die Funktion des IFC 1 ist es, die Luftströmungs-Geschwindigkeitsverteilung zum Eintritt in den Vorvermischer vorzubereiten. Das Prinzip des IFC 1 beruht auf dem Konzept des die Vormischluft vor dem Eintritt in den Vormischer unter Gegendruck zu setzen. Dies gestattet eine bessere winkelförmige Verteilung der Vormisch-Luftströmung. Die perforierten Wandungen 11, 12 üben die Funktion des unter Gegendrucksetzens des Systems und gleichmässig umfangsmässigen Verteilens der Strömung um den IFC-Ring 15 herum aus, während die sich drehende(n) Schaufel(n) 14 in Verbindung mit den perforierten Wandungen zur Erzeugung der richtigen radialen Verteilung der eintretenden Luft in den IFC-Ring 15 arbeitet(n). In Abhängigkeit von der erwünschten Strömungsverteilung innerhalb des Vormischers ebenso wie der Strömungsaufspaltungen zwischen einzelnen Vormischern für einen Mehrfachbrennkammer-Brenner sind geeignete Lochmuster für die perforierten Wandungen in Verbindung mit der axialen Position des (der) sich drehenden Schaufel(n) 14 ausgewählt. Ein dynamischer Strömungsmittel-Computercode wird benutzt, um die Strömungsverteilung zu errechnen, um ein geeignetes Lochmuster für die perforierten Wandungen zu bestimmen. Ein geeignetes Computerprogramm für diesen Zweck hat den Titel STAR CD von Adapco, Long Island, N.Y.

[0022] Um Regionen geringer Geschwindigkeit nahe der Umhüllungswand 202 am Einlass zu der Dralldüse 2 zu beseitigen, wird ein glockenmundförmiger Übergang 26 zwischen dem IFC und der Dralldüse benutzt.

[0023] Erfahrung mit trockenen Mehrbrennkammer-Brennersystemen geringer Emissionen in industriellen Hochleistungs-Gasturbinenanwendungen hat gezeigt, dass in dem Raum 6 eine ungleichmässige Luftströmungsverteilung existiert, der die Brennkammern umgibt. Dies kann zur ungleichmässigen Luftströmungsverteilung zwischen Brennkammern oder einer wesentlichen Luftströmungs-Fehlverteilung innerhalb des Vormischerringes führen. Das Resultat dieser Luftströmungs-Fehlverteilung ist eine Brennstoff/Mischungsstärken-Fehlverteilung, die in die Reaktionszone der Brennkammer eintritt, die wiederum in einer Verschlechterung der Emissions-Leistungsfähigkeit resultiert. Zu dem Ausmass, zu dem der IFC 1 die Gleichmässigkeit der Luftströmungsverteilung zwischen Brennkammern und innerhalb des Vormischerringes einzelner Brennkammern verbessert, verbessert er auch die Emissions-Leistungsfähigkeit des gesamten Brennersystems und der Gasturbine.

[0024] Nach der Verbrennung tritt Luft aus dem IFC 1 aus und in die Dralldüsen-Baueinheit 2 ein. Die Dralldüsen-Baueinheit schliesst eine Nabe 201 und einen Umhüllungsring 202 ein, die durch eine Reihe von flügelförmigen, sich drehenden Schaufeln 23 verbunden sind, die der Verbrennungsluft, die durch den Vormischer hindurchgeht, einen Drall verleiht. Jede sich drehende Schaufel 23 enthält einen primären Erdgasbrennstoff-Zufuhrdurchgang 21 und einen sekundären Erdgasbrennstoff-Zufuhrdurchgang 22 durch den Kern des Flügels. Diese Brennstoffdurchgänge verteilen Erdgasbrennstoff an primäre Gasbrennstoff-Injektionslöcher 24 und sekundäre Gasbrennstoff-Injektionslöcher 25, die die Wandung des Flügels durchdringen. Diese Brennstoff-Injektionslöcher können auf der Druckseite, der Saugseite oder beiden Seiten der sich drehenden Schaufeln 23 angeordnet sein. Erdgasbrennstoff tritt in die Dralldüsen-Baueinheit 2 durch Einlassöffnungen 29 und ringförmige Durchgänge 27, 28 ein, die die primären bzw. sekundären Durchgänge der sich drehenden Schaufeln versorgen. Der Erdgasbrennstoff beginnt sich mit Verbrennungsluft in der Dralldüsen-Baueinheit zu vermischen und die Brennstoff/Luft-Vermischung ist im rohrförmigen Durchgang 3 abgeschlossen, der durch eine Dralldüsen-Nabenausdehnung 31 und eine Dralldüsen-Umhüllungsringausdehnung 32 gebildet wird. Nach dem Austreten aus dem ringförmigen Durchgang 3 tritt die Brennstoff/Luft-Mischung in die Brenner-Reaktionszone 5 ein, in der die Verbrennung stattfindet.

[0025] Da die Dralldüsen-Baueinheit 2 Erdgasbrennstoff durch die Oberfläche der sich aerodynamisch drehenden Schaufeln (Flügel) 23 injiziert, ist die Störung des Luftströmungsfeldes minimiert. Der Gebrauch dieser Geometrie erzeugt keine Regionen der Strömungsstagnation oder Strömungstrennung/rezirkulation im Vormischer nach der Brennstoffinjektion in den Luftstrom. Sekundäre Strömungen sind auch mit dieser Geometrie mit dem Resultat minimiert, dass die Regelung des Brennstoff/Luft-Vermischens und des Mischungsverteilungs-Profils erleichtert wird. Das Strömungsfeld bleibt aerodynamisch sauber von der Region der Brennstoffinjektion bis zum Vormischerauslass in die Brenner-Reaktionszone 5. In der Reaktionszone verursacht die durch die Dralldüse 2 induzierte Verwirbelung einen zentralen Wirbel, der sich mit Strömungsrezirkulation bildet. Dies stabilisiert die Flammenfront in der Reaktionszone 5. Solange die Geschwindigkeit in dem Vormischer oberhalb der turbulenten Flammenausbreitungs-Geschwindigkeit bleibt, wird sich die Flamme nicht in den Vormischer (Flammenrückschlag) ausbreiten und, ohne Strömungstrennung oder -rezirkulation im Vormischer, wird sich die Flamme im Falle eines Übergangszustandes, der eine Strömungsumkehr verursacht, nicht im Vormischer verankern. Die Fähigkeit der Dralldüse 2, einem Flammenrückschlag und Flammenhalten zu widerstehen, ist ausserordentlich wichtig für die Anwendung, da das Auftreten dieser Erscheinungen verursachen würde, dass sich der Vormischer mit nachfolgender Beschädigung überhitzt.

[0026] Fig. 2 und 3 zeigen Einzelheiten der Dralldüsen-Geometrie. Wie bemerkt, gibt es zwei Gruppen von Erdgasbrennstoff-Injektionslöchern auf der Oberfläche jeder sich drehenden Schaufel 23, die die primären Brennstoff-Injektionslöcher 24 und die sekundären Brennstoff-Injektionslöcher 25 einschliessen. Brennstoff wird durch den primären Gasdurchgang 21 und den sekundären Gasdurchgang 22 diesen Brennstoff-Injektionslöchern 24, 25 zugeführt. Brennstoffströmung durch diese beiden Injektionspfade wird unabhängig geregelt, was die Regelung über das radiale Brennstoff/Luft-Konzentrationsverteilungsprofil von der Dralldüsen-Nabe 201 bis zum Dralldüsen-Umhüllungsring 202 ermöglicht.

[0027] Es ist bekannt, dass das radiale Brennstoffkonzentrations-Profil eine signifikante Rolle bei der Bestimmung der Leistungsfähigkeit von mager vorgemischten Trockenbrennern geringer Emissionen spielt, einen signifikanten Einfluss auf die verbrennungsgetriebene dynamische Druckaktivität, die Emissions-Leistungsfähigkeit und die Abschaltfähigkeit hat. Die radiale Profilregelung liefert ein Mittel zum Kompensieren der Erdgasbrennstoff-Volumenströmungsraten-Variation aufgrund von Änderung im Brennstoffheizwert (Zusammensetzung) und/oder der Zufuhrtemperatur. Ein zusätzlicher Vorteil dieses neuen Brennstoffversorgungs-Schemas ist das Potenzial zur Lastrückweisung zu den sekundären Brennstoffdurchgängen, da die resultierende nabenreiche Konfiguration die Verbrennung bei einem Bruchteil der Volllast-Brennstoffströmung aufrechterhalten könnte.

[0028] Im Zentrum der Brennerbaueinheit befindet sich eine konventionelle Diffusionsflammen-Brennstoffdüse 4, die eine geschlitzte Gasspitze 42 aufweist, die Verbrennungsluft von einem ringförmigen Durchgang 41 und Erdgasbrennstoff durch Gaslöcher 43 empfängt. Der Körper dieser Brennstoffdüse schliesst eine Ausdehnungsmanschette 44 zum Kompensieren unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen zwischen dieser Düse und dem Vormischer ein. Diese Brennstoffdüse wird während der Zündung, Beschleunigung und einer geringen Last benutzt, wo die Vormischermischung zum Brennen zu mager ist. Diese Diffusionsflammen-Brennstoffdüse kann auch eine Pilotflamme für den Vormischer liefern, um diesen Bereich der Betriebsfähigkeit auszudehnen. Im Zentrum dieser Diffusionsflammen-Brennstoffdüse ist ein Hohlraum 45, der zur Aufnahme einer Flüssigbrennstoff-Düsenbaueinheit zur Bereitstellung einer dualen Brennstofffähigkeit entworfen ist.

[0029] Die dargestellte Struktur bietet ein direkte aktive Regelung des radialen Brennstoff/Luft-Profils, um die optimale Leistungsfähigkeit über einen Bereich von Betriebsbedingungen zu gestatten. Sie gestattet auch die Möglichkeit einer neuen Last-Rückweisungsstrategie, die bei der Verringerung der Anzahl der Brennstoffsysteme und somit der gesamten Systemkosten helfen kann.

[0030] Zusätzlich zur Bereitstellung der Regelung des radialen Brennstoff/Luft-Profils liefert das Zuführen von Brennstoff zum Vormischer über zwei unabhängig regelbare Strömungspfade ein Mittel zum Regeln des Druckabfalls über die Brennstoff-Injektionslöcher. Dies liefert ein anderes Verfahren zum Regeln der dynamischen Druckaktivität, weil das Ansprechen der Brennstoff-Injektion auf Druckwellen in dem Vormischer dahingehend eingestellt werden kann, dass es der Luftzufuhr angepasst ist. Diese Fähigkeit wird selbst dann beibehalten, wenn Variationen im Brennstoffzufuhr-Heizwert und/oder der Temperatur es erforderlich machen, die Volumenströmung von Brennstoff durch den Injektor zu variieren, weil der gesamte effektive Bereich der Brennstoff-Injektionslöcher durch Variieren der Brennstoffströmungs-Aufspaltung zwischen den beiden Strömungspfaden eingestellt werden kann. Diese Fähigkeit ist nicht erhältlich bei Injektoren, die einen einzigen Brennstoff-Strömungspfad festen Bereiches aufweisen, was typisch für den Stand der Technik ist. Durch Anpassen des Vormischerbrennstoff- und -luft-Ansprechens auf Druckwellen kann die dynamische Druckverstärkung, die aus dem Oszillationszyklus mit schwacher Grenze resultiert, minimiert oder beseitigt werden.

[0031] In einer bevorzugten Ausführungsform kann das in den Fig. 1-3veranschaulichte Design dahingehend ausgedehnt werden, dass es mehrere Brennstoffströme unterschiedlicher Zusammensetzung gestattet, in den Brennstoff/Luft-Vormischer einzutreten. So wird, z.B., unter Bezugnahme auf Fig. 4, ein dritter Brennstoffdurchgang oder Brennstoffeinlass 30 hinzugefügt, um zu gestatten, dass Mischungen mehrerer Gasströme, wie Synthesegas und Erdgas, in den Vormisch-durchgang für eine erwünschte Leistungsfähigkeit, wie Brennstoffvermischung für Emissionen, Robustheit der Flammenhaltung oder Regelung von Verbrennungs-Oszillationen eintritt. Obwohl ein zusätzlicher Brennstoffdurchgang oder Brennstoffeinlass 30 gezeigt sind, können viele solcher Brennstoff-durchgänge/Einlässe hinzugefügt werden. Jeder Brennstoffdurchgang 30 kann eine gemischte Synthesegas- und Methanströmung benutzen oder einfach Synthesegas strömen lassen, während andere Kreisläufe Erdgas während des Betriebes strömen lassen. Mit dieser Konstruktion können grosse Wobbeindex-Variationen gestattet werden durch Regeln sowohl der Volumenströmung als auch Druckverhältnisse durch die Vielzahl von Öffnungen, die Brennstoff in den Vormischdurchgang injizieren. Während des Betriebes kann ein Durchgang Brennstoff hindurchlassen und «an»- oder «ab»- oder irgendwo dazwischen geschaltet werden, was vom Wobbeindex des strömenden Brennstoffes abhängt.

[0032] In der Vergangenheit verursachten grosse volumetrische Strömungen, die mit Synthesegas-Brennstoffen, wie solchen mit CO verbunden waren, potenzielle Flammenrück-schlags/Flammenhalte-Herausforderungen aufgrund von Strahlpenetration oder Aufschlag an die aerodynamischen Leistungsfähigkeiten von Drallerzeugerschaufeln. Die Anwendung mehrerer Brennstoffdurchgänge, wie sie in Fig. 4gezeigt sind, für Anwendungen, wie Synthesegas oder Variationen im Wobbeindex, gestatten den Gebrauch einer einzigen Düsengeometrie. Die mehrfachen Brennstoffdurchgänge gestatten die Regelung des Strahlmomentes und anderer Flammenhaltefehler mit einem Vormischersystem. Grosse Blockaden, die von den Brennstoffstrahlen resultieren, werden vermieden und somit werden Störungen an der aerodynamischen Schaufel-Leistungsfähigkeit minimiert. Die Anwendung mehrfacher Brennstoffdurchgänge gestatten zusätzlich das Potenzial, mehrere Brennstoffströme, wie Synthesegas, Methan oder andere Brennstoffe, innerhalb des Verbrennungssystems zu vermengen.

[0033] Mit der modifizierten Struktur sind die mehrfachen Brennstoffeinlasse in entsprechenden Brennstoffquellen regelbar, um grosse Wobbeindex-Variationen (d.h., mehr als 10%) innerhalb einer fixierten Geometrie zu bewirken. Der Betrieb einer Turbine kann so auf erwünschte Abgaben für Parameter eingestellt werden oder Betriebsfragen ansprechen, indem man die Brennstoffzugäbe regelt, ohne strukturelle Änderungen am System zu benötigen.

[0034] Während die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was derzeit als die praktischsten und bevorzugtesten Ausführungsformen angesehen wird, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil zahlreiche Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die im Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.

[0035] Ein Brennstoff/Luft-Vormischer zum Einsatz in einem Brenner in einem Verbrennungssystem einer Gasturbine schliesst einen Lufteinlass 1, 6, eine fixierte Düsengeometrie 4 und einen ringförmigen Mischdurchgang 3 ein. Der Brennstoff/Luft-Vormischer vermischt Brennstoff und Luft in dem ringförmigen Mischdurchgang zur Injektion in eine Brenner-Reaktionszone 5. Eine Vielzahl von Brennstoffquellen 21, 22 ist mit der fixierten Düsengeometrie verbunden und jede der Brennstoffquellen kann mit der fixierten Düsengeometrie zusammenarbeiten, um mehrere Brennstoffströmungsvariationen zu bewirken, einschliesslich Variationen in der Brennstoffart, Brennstoffmischung, Volumenströmung und Druckverhältnisse.

Bezugszeichenliste

[0036] <tb>1<sep>Einlassströmungs-Konditionierer <tb>2<sep>Dralldüsen-Baueinheit <tb>3<sep>Ringförmiger Brennstoff/Luft-Mischdurchgang <tb>4<sep>Düsen-Baueinheit <tb>5<sep>Brenner-Reaktionszone <tb>6<sep>Hochdruckraum <tb>15<sep>Ringförmiger Strömungsdurchgang <tb>13<sep>Zylindrische Innenwand <tb>12<sep>Perforierte zylindrische Aussenwand <tb>11<sep>Perforierte Endkappe <tb>14<sep>Sich ringförmig drehende Schaufeln <tb>202<sep>Umhüllungswand <tb>26<sep>Glockenmundförmiger Übergang <tb>201<sep>Nabe <tb>202<sep>Umhüllungsring <tb>23<sep>Sich drehende Schaufeln <tb>21<sep>Erdgasbrennstoff-Zufuhrdurchgang <tb>22<sep>Erdgasbrennstoff-Zufuhrdurchgang <tb>24<sep>Gasbrennstoff-Injektionslöcher <tb>25<sep>Gasbrennstoff-Injektionslöcher <tb>29<sep>Einlassöffnungen <tb>27,28<sep>Ringförmige Durchgänge <tb>31<sep>Dralldüsennaben-Verlängerung <tb>32<sep>Dralldüsenumhüllungs-Verlängerung <tb>42<sep>Geschlitzte Gasspitze <tb>43<sep>Gaslöcher <tb>44<sep>Ausdehnungsmanschette <tb>45<sep>Hohlraum <tb>30<sep>Dritter Brennstoffdurchgang oder Brennstoffeinlass

Claims (9)

1. Brennstoff/Luft-Vormischer zum Gebrauch in einem Brenner in einem Brennersystem einer Gasturbine, wobei der Brennstoff/Luft-Vormischer umfasst: einen Lufteinlass (1, 6); mindestens zwei Brennstoffeinlasse (21, 22); entsprechende mindestens zwei Brennstoffquellen (21, 22), die mit den mindestens zwei Brennstoffeinlassen gekoppelt sind; einen ringförmigen Mischdurchgang (3), worin der Brennstoff/Luft-Vormischer Brennstoff und Luft in dem ringförmigen Mischdurchgang zur Injektion in eine Brenner-Reaktionszone vermischt, und eine Dralldüsen-Baueinheit (2) stromabwärts des Lufteinlasses, wobei die Dralldüsen-Baueinheit eine Vielzahl sich drehender Schaufeln (23) einschliesst, die so angeordnet sind, dass sie der eintretenden Luft einen Drall verleihen, wobei jede der sich drehenden Schaufeln einen internen Brennstoffströmungs-Durchgang (24, 25, 27, 28) einschliesst, der mit mindestens einem der Brennstoffeinlasse in Verbindung steht, worin mindestens einige der Brennstoffeinlasse und der Brennstoffquellen dahingehend regelbar sind, dass sie eine Brennstoffvermengung bewirken und Wobbeindex-Variationen innerhalb einer fixierten Geometrie bewirken.

2. Brennstoff/Luft-Vormischer nach Anspruch 1, worin die mindestens zwei Brennstoffquellen (21, 22) Quellen unterschiedlicher Brennstoffarten umfassen.

3. Brennstoff/Luft-Vormischer nach Anspruch 2, worin die Brennstoffarten Erdgas, Synthesegas, Methan und vermengtes Synthesegas und Methan umfassen.

4. Brennstoff/Luft-Vormischer nach Anspruch 1, worin mindestens einige der Brennstoffeinlasse (21, 22) und der Brennstoffquellen (21, 22) miteinander zusammenarbeiten können, um die Regelung von Volumenströmung und Druckverhältnissen des Brennstoffes zu bewirken.

5. Brennstoff/Luft-Vormischer nach Anspruch 1, worin mindestens einige der Brennstoffeinlasse (21, 22) und der Brennstoffquellen (21, 22) dahingehend regelbar sind, dass sie Brennstoffvermengung bewirken und Wobbeindex-Variationen innerhalb der fixierten Geometrie bewirken, die 10% übersteigen.

6. Brennstoff/Luft-Vormischer zum Einsatz in einem Brenner in einem Brennersystem einer Gasturbine, wobei der Brennstoff/Luft-Vormischer einen Lufteinlass (1, 6), eine fixierte Düsengeometrie (4) und einen ringförmigen Mischdurchgang (3) umfasst, wobei der Brennstoff/Luft-Vormischer Brennstoff und Luft in dem ringförmigen Mischdurchgang zur Injektion in eine Brenner-Reaktionszone (5) vermischt, wobei eine Vielzahl von Brennstoffquellen (21, 22) mit der fixierten Düsengeometrie verbunden ist und worin mindestens einige der Brennstoffquellen mit der fixierten Düsengeometrie zusammenarbeiten können, um mehrere Brennstoffströmungsvariationen zu bewirken, einschliesslich Variationen in der Brennstoffart, der Brennstoffmischung, der Volumenströmung und der Druckverhältnisse.

7. Verfahren zum Vormischen von Brennstoff und Luft in einem Brenner in einem Brennersystem einer Gasturbine unter Einsatz eines Brennstoff/Luft-Vormischers, wobei der Brennstoff/Luft-Vormischer einen Lufteinlass (1, 6), mindestens zwei Brennstoffeinlasse (21, 22), entsprechende mindestens zwei Brennstoffquellen (21, 22) die mit den mindestens zwei Brennstoffeinlassen gekoppelt sind, einen ringförmigen Mischdurchgang (3) und eine Dralldüsen-Baueinheit (2) stromabwärts des Lufteinlasses einschliesst, um der eintretenden Luft einen Drall zu verleihen, wobei das Verfahren umfasst: (a) Strömenlassen mehrerer Brennstoffströme durch die Brennstoffeinlasse in den ringförmigen Mischdurchgang; (b) Regeln von Brennstoffvermengung und Brennstoffmischung für erwünschte Leistungsfähigkeit und (c) Regeln von Volumenströmung und Druckverhältnissen mindestens einiger der Brennstoffströme, um Wobbeindex-Variationen innerhalb einer fixierten Geometrie anzupassen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin Stufe (a) durch Strömenlassen von Brennstoffströmen ausgeführt wird, die Erdgas, Synthesegas, Methan und gemischtes Synthesegas und Methan einschliessen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, worin Stufe (c) ausgeführt wird durch Anschalten und Abschalten mindestens einiger der Brennstoffströme in Abhängigkeit vom Wobbeindex des entsprechenden Brennstoffes in den Brennstoffströmen.