CH701878A2

CH701878A2 - Gasturbinen-Verbrennungssystem und Verfahren zum einsatzspezifischen Anpassen eines Gasturbinen-Verbrennungssystems.

Info

Publication number: CH701878A2
Application number: CH01513/10A
Authority: CH
Inventors: Thomas Edward Johnson; Christopher Mordaunt
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-03-31
Also published as: CH701878B1; JP5715360B2; CN102022729A; US20110067404A1; DE102010037409A1; US8365533B2; JP2011069607A; CN102022729B

Abstract

Ein Gasturbinen-Verbrennungssystem enthält einen tragenden Brennstoffverteiler (12) mit mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen (14) und mehreren Brennstoffleitungskanälen (16) und ein hinteres wenigstens einen Teil einer Verbrennungszone definierendes Gehäuse (18). Der tragende Brennstoffverteiler ist mit dem hinteren Gehäuse verbunden. Mehrere Brennstoffdüsen (22) sind jeweils einzeln in den mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen gehalten, und mehrere Brennstoffleitungen (24) stehen mit den mehreren Brennstoffleitungskanälen in Verbindung. Die mehreren Brennstoffleitungen liefern über die mehreren Brennstoffleitungskanäle Brennstoff an die mehreren Brennstoffdüsen.

Description

Beschreibung Hintergrund der Erfindung

[0001 ] Die Erfindung betrifft ein universelles Mehrfachdüsen-Verbrennungssystem und insbesondere ein GasturbinenVerbrennungssystem, das eine Reihe von unabhängigen in einem tragenden Brennstoffverteiler montierte Brennstoffdüsen enthält’.

[0002] Die Auslegung eines Verbrennungssystems für eine moderne Gasturbine erfordert extensive Entwicklung und Erprobung, bevor ein Endprodukt abgeschlossen werden kann. Die entwickelten Komponenten sind tendenziell maschinenspezifisch, wobei nur wenige oder keine Teile universell für alle Maschinen verwendbar sind. Es wäre wünschenswert, eine entwickelte Düsentechnologie zu nutzen, um eine flexible Plattform für mehrere Maschinen zu erzeugen, die eine minimale Menge an einzelspezifischen Maschinenkomponenten erfordert.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0003] In einer exemplarischen Ausführungsform enthält ein Gasturbinen-Verbrennungssystem einen tragenden Brennstoffverteiler, der mehrere Brennstoffdüsenhalteöffnungen und mehrere Brennstoffleitungskanäle und ein hinteres wenigstens einen Teil einer Verbrennungszone definierendes Gehäuse enthält. Der tragende Brennstoffverteiler ist mit dem hinteren Gehäuse verbunden. Mehrere Brennstoffdüsen sind jeweils einzeln in den mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen gehaltert, und mehrere Brennstoffleitungen stehen mit den mehreren Brennstoffleitungskanälen in Verbindung. Die mehreren Brennstoffleitungen liefern über die mehreren Brennstoffleitungskanäle Brennstoff an die mehreren Brennstoffdüsen.

[0004] In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform enthält ein Gasturbinen-Verbrennungssystem eine Endabdeckung und ein hinteres mit der Endabdeckung verbundenes Gehäuse, welche zusammen wenigstens einen Teil einer Verbrennungszone definieren. Ein tragender Brennstoffverteiler ist zwischen der Endabdeckung und dem hinteren Gehäuse angeordnet. Der tragende Brennstoffverteiler enthält mehrere Brennstoffdüsenhalteöffnungen und mehrere Brennstoffkanäle. Mehrere Brennstoffdüsen sind jeweils einzeln in den mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen gehaltert, und mehrere Brennstoffleitungen stehen mit den mehreren Brennstoffleitungskanälen in Verbindung. Die mehreren Brennstoffleitungen liefern über die mehreren Brennstoffleitungskanäle Brennstoff an die mehreren Brennstoffdüsen.

[0005] In noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum einsatzspezifischen Anpassen eines Gasturbinen-Verbrennungssystems zur Erfüllung der Anforderungen an die Maschinenleistungsabgabe die Schritte der Ermittlung einer Anzahl von Brennstoffdüsen, die zur Erfüllung der Anforderungen an die Maschinenleistungsabgabe erforderlich sind; der Konstruktion eines tragenden Brennstoffverteilers mit mehreren der Anzahl der Brennstoffdüsen entsprechenden Brennstoffdüsenhalteöffnungen und mehreren Brennstoffleitungskanälen; der Befestigung der mehreren Brennstoffdüsen jeweils einzeln in den mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen; der Verbindung der Brennstoffleitungen mit den mehreren Brennstoffleitungskanälen, um an die Brennstoffdüsen Brennstoff zu liefern; und des Zusammenbaus des Gasturbinen-Verbrennungssystems durch Verbinden des tragenden Brennstoffverteilers, der mehreren Brennstoffdüsen und der mehreren Brennstoffleitungen eines hinteren Gehäuses.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0006] Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen Brennstoffverteilers;

[0007] Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Gesamtsystems mit in einem Verteiler installierten Brennstoffdüsen/Injektoren; [0008] Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Systems, das eine alternative Anordnung der Brennstoffinjektoren darstellt; [0009] Fig. 4 ist eine detaillierte Schnittansicht eines Brennstoffverteilers;

[0010] Fig. 5 veranschaulicht eine Brennstoffleitungsführungsoption; und [0011 ] Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die eine Prallkühlungsoption darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0012] Gemäss bevorzugten Ausführungsformen enthält das Gasturbinensystem eine Reihe von kleinen unabhängigen Brennstoffdüsen, die in einem tragenden Brennstoffverteiler montiert sind. Die Brennstoffdüsen haben eine Standardauslegung (z.B. die «Dual Annular Counter Rotating Swirler»- oder DACRS-Düse von GEAE), und die Anzahl der Düsen kann für eine spezielle Maschinenleistungsabgabe variiert werden. Mit dieser Konstruktion muss nur ein einzigartiger Brennstoffverteiler für jede spezielle Anwendung konstruiert werden. Die kleineren Brennstoffdüsen haben aufgrund ihrer verbesserten Mischeigenschaften ausgezeichnete Emissions-, Dynamik-, Brennstoffflexibilitäts- und Verhaltenseigenschaften. Zusätzlich bieten die vereinfachten Düsen, der Brennstoffverteiler und Endabdeckung erhebliche Kosteneinsparungen für die gesamte Maschinenflotte.

[0013] Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen «Weingestell»-Brennstoffverteilers 12, der eine strukturelle Flalterung für die Brennstoffdüsen und entsprechenden Brennstoffleitungen bereitstellt. Der Brennstoff-Verteiler 12 enthält mehrere Brennstoffdüsenhalteöffnungen 14 und mehrere Brennstoffleitungskanäle 16. Der Brennstoffverteiler 12

2 ist für jede Maschine spezifisch und dafür ausgelegt, eine entsprechende Anzahl von Düsen für eine spezielle Maschinenleistungsabgabeanforderung zu haltern.

[0014] Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Verbrennungsdüsensystems 10, das das Mehrfachdüsenbrennerkonzept nutzt. Der Brennstoffverteiler 12 ist mit einem hinteren Gehäuse verbunden, welches wenigstens einen Teil einer Verbrennungszone definiert. Ein Einsatz 20 ist radial innerhalb des hinteren Gehäuses 18 angeordnet. Mehrere Brennstoffdüsen 22 sind in den Brennstoffdüsenhalteöffnungen 14 des Brennstoffverteilers 12 gehaltert. Brennstoffleitungen 24 sind in Verbindung mit den Brennstoffleitungskanälen 16 des Brennstoffverteilers 12 vorgesehen. Die Brennstoffleitungen 24 liefern über die Brennstoffleitungskanäle 16 Brennstoff an die Brennstoffdüsen 22.

[0015] Aufgrund der kleineren Brennstoffdüsen 22 benötigt das System kein vorderes Gehäuse und nutzt stattdessen eine einfache kuppelförmige Endabdeckung 26. Die kuppelförmige Endabdeckung 26 ist ein einfaches halbkugelförmiges Druckgefäss, das keine Verbindungen benötigt. Der Brennstoffverteiler 12 ist zwischen der kuppelförmigen Endabdeckung 26 und dem hinteren Gehäuse 18 angeordnet, und die Brennstoffleitungen 24 verlaufen bevorzugt ausserhalb der Seite des Brennstoffverteilers 12, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

[0016] Fig. 3 stellt eine leicht modifizierte Konstruktion des Brennstoffverteilers 12<'>dar, wobei der Brennstoffverteiler 12<'>im Wesentlichen schalenförmig ist, um dadurch die relativen Positionen der Brennstoffdüsen 22 zu staffeln. D.h., der gekrümmte Verteiler 12<'>ermöglicht ein «Verschachteln» der Mittendüsen 22. Diese Konstruktion verbessert das Absenkverhalten (d.h., den Betrieb bei niedriger Last, bei gleichzeitiger Einhaltung der Emissionsvorschriften) und verringert die spezifische Dynamikfrequenzreaktion des Verbrennungssystems.

[0017] Fig. 4 ist eine detaillierte Ansicht des Brennstoffverteilers 12, der kuppelförmigen Endabdeckung 26 und der Verteilerschnittstelle mit dem hinteren Gehäuse 18. Die dargestellte Brennstoffdüse 22 ist eine DACR-(Dual Annular Counter Rotating)-Dralldüse, die einen Brennstoffdüsenkonus 28 enthält. Die Brennstoffdüsen 22 sind in dem Brennstoffverteiler 12 in einer beliebigen geeigneten Weise, wie z.B. durch Flartverlötung oder Verschraubung, einschliesslich einer geeigneten Abdichtung befestigt.

[0018] Die Streben 30 sind mehrere schmale Stützelemente, die die innere zylindrische Rahmenstruktur mit der äusseren Rahmenstruktur verbinden, während sie gleichzeitig einen Luftdurchtritt zulassen. Sie haben einen aerodynamischen Querschnitt, wie er in Fig. 4 in einer diamantartigen Form dargestellt ist.

[0019] Der Diffusor 32 ist ein Ringraum, der die Luft vor der Ausgabe der Luft diffundiert oder verlangsamt. Wenn Luft mit hoher Geschwindigkeit in stehende oder langsamere Luft ausgegeben wird, treten Verluste auf. Wenn die Luft verlangsamt wird, ohne einen Strömungsabriss vor ihrer Ausgabe zu bewirken, liegt ein geringerer Energieverlust vor. In Fig. 4 ist die innere zylindrische Einrichtung konisch nach innen geformt, was eine Ausdehnungsfläche erzeugt und somit die Luft diffundiert.

[0020] Der Einsatzanschlag 34 dient als Anschlag, um zu verhindern, dass der Einsatz in eine Vorwärtsrichtung gedrückt wird. Der Einsatz hat eine Konusform und einen höheren Druck auf der Aussenseite als auf der Innenseite, was zu einer resultierenden Vorwärtskraft (linke Richtung in Fig. 4) führt. Der Einsatz besitzt drei um seinen Umfang herum angeschweisste Ansätze und in dieser Konfiguration könnten drei fingerartige Vorsprünge an der Kappenunterstützungsstruktur in Ausrichtung zu den Ansätzen auf den Einsatz hinzugefügt sein. Dieses verhindert die Vorwärtsbewegung des Einsatzes, während gleichzeitig die Luftblockierung verhindert wird.

[0021 ] Der Kolbenring 36 soll die Leckage in die Brennkammer verhindern. Wenn der Einsatz und der Brennstoff- Verteiler zusammengebaut werden, ist ein kleiner Spalt zwischen den zwei Teilen vorhanden. Der Kolbenring 36 ist eine elastische Dichtung, die eine Leckage über einen Bereich von Spaltgrössen verhindert. Es ist erwünscht, dass die gesamte Luft durch die Brennstoffdüsen und nicht durch Leck verläuft.

[0022] Fig. 5 stellt Brennstoffleitungsführungsoptionen dar, die einen stufenweisen Betrieb des Brenners durch Steuern des Stroms zu den einzelnen Kanälen des Verteilers 12 ermöglichen könnten. Mehrere Brennstoffleitungen 24 sind dargestellt, welche mit den Brennstoffleitungskanälen 16 in dem Verteiler 12 verbunden sind.

[0023] Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die ein Prallkühlungsschema für den Brennstoffverteiler 12 darstellt. Im Betrieb könnte Wärme auf den Flartlötungsverbindungen oder dergleichen, die die Brennstoffdüsen 12 in dem Verteiler 12 befestigen, Wärmegradienten erzeugen, welche den Betrieb des Verbrennungssystems nachteilig beeinflussen. Fig. 6 stellt einen schwebenden Wärmeschild 40 dar, der an dem Verteiler 12 zwischen zwei von den Brennstoffdüsen 12 befestigt ist. Der Wärmeschild 40 schützt die Flartlötverbindungsstellen vor Wärme während des Betriebs des Systems.

[0024] Das System führt zu preiswerten Einrichtungen zum Erstellen mehrerer Familien von Gasturbinen-Verbrennungssystemen, die eine minimale Anzahl einzigartiger Komponenten verwenden. Mit diesem Verbrennungssystem ausgerüstete Maschinen würden eine Brennstoffdüsentechnologie gemeinsam nutzen, und dadurch die Notwendigkeit für jede einzelne Maschine spezifischer individueller Düsen erübrigen. Die kleineren Brennstoffdüsen haben aufgrund ihrer verbesserten Mischfähigkeiten ausgezeichnete Emissions-, Dynamik-, Brennstoffflexibilität und Verhaltenseigenschaften. Zusätzlich ermöglichen die vereinfachten Düsen, der Brennstoffverteiler und die Endabdeckung erhebliche Kosteneinsparungen über die gesamte Maschinenflotte hinweg. Des Weiteren könnte, da das Konzept für existierende Maschinen nachrüstbar sein kann, die Installation des Systems in ältere Maschinen eine grössere Betriebsbereitschaft aktueller Maschinen ermöglichen.

3

Claims

[0025] Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in den Erfindungsgedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, abdecken soll. [0026] Ein Gasturbinen-Verbrennungssystem enthält einen tragenden Brennstoffverteiler 12 mit mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen 14 und mehreren Brennstoffleitungskanälen 16 und ein hinteres wenigstens einen Teil einer Verbrennungszone definierendes Gehäuse 18. Dertragende Brennstoffverteiler ist mit dem hinteren Gehäuse verbunden. Mehrere Brennstoff düsen 22 sind jeweils einzeln in den mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen gehalten und mehrere Brennstoffleitungen 24 stehen mit den mehreren Brennstoffleitungskanälen in Verbindung. Die mehreren Brennstoffleitungen liefern über die mehreren Brennstoffleitungskanäle Brennstoff an die mehreren Brennstoffdüsen. Bezugszeichenliste [0027] 12 Brennstoffverteiler 14 Brennstoffdüsenhalteöffnungen 16 Brennstoffleitungskanäle 18 hinteres Gehäuse 20 Einsatz 22 Brennstoffdüsen 24 Brennstoffleitungen 26 kuppelförmige Endabdeckung 28 Brennstoffdüsenkonus 30 Streben 32 Diffusor 34 Einsatzanschlag 36 Kolbenring 40 schwebender Hitzeschild Patentansprüche 1. Gasturbinen-Verbrennungssystem, aufweisend: einen tragenden Brennstoffverteiler (12) mit mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen (14) und mehreren Brennstoffleitungskanälen (16); ein hinteres Gehäuse (18), das wenigstens einen Teil einer Verbrennungszone definiert, wobei der tragende Brennstoffverteiler mit dem hinteren Gehäuse verbunden ist; mehrere Brennstoffdüsen (22), die jeweils einzeln in den mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen gehaltert sind; und mehrere Brennstoffleitungen (24), die mit den mehreren Brennstoffleitungskanälen in Verbindung stehen, wobei die mehreren Brennstoffleitungen Brennstoff an die mehreren Brennstoffdüsen über die mehreren Brennstoffleitungskanäle liefern.
2. Gasturbinen-Verbrennungssystem nach Anspruch 1 , wobei eine Anzahl der mehreren Brennstoffdüsen (22) abhängig von den Anforderungen an die Maschinenleistungsabgabe variabel ist.
3. Gasturbinen-Verbrennungssystem nach Anspruch 2, wobei der tragende Brennstoffverteiler (12) eine Anzahl von Brennstoffdüsenhalteöffnungen (14) aufweist, die der Anzahl der Brennstoffdüsen (22) entsprechen.
4. Gasturbinen-Verbrennungssystem nach Anspruch 1 , das ferner eine Endabdeckung (26) auf einer stromaufwärts liegenden Seite des tragenden Brennstoffverteilers (12) aufweist, wobei der tragende Brennstoffverteiler zwischen der Endabdeckung und dem hinteren Gehäuse (18) angeordnet ist.
5. Gasturbinen-Verbrennungssystem nach Anspruch 1 , wobei der tragende Brennstoffverteiler (12) schalenförmig ausgebildet ist, um dadurch die relativen Positionen der mehreren Brennstoffdüsen (22) gestaffelt anzuordnen. 4
6. Gasturbinen-Verbrennungssystem nach Anspruch 1 , wobei die mehreren Brennstoffleitungen (24) aus einer Seite des lagernden Brennstoffverteilers (12) austreten.
7. Gasturbinen-Verbrennungssystem nach Anspruch 1 , wobei die mehreren Brennstoffleitungen (24) so geführt sind, dass sie einen stufenweisen Betrieb des Verbrennungssystems durch Steuerung des Brennstoffstroms in den mehreren Brennstoffleitungen bewirken.
8. Gasturbinen-Verbrennungssystem nach Anspruch 1 , welches ferner wenigstens einen Hitzeschild (40) aufweist, der an dem tragenden Brennstoffverteiler (12) zwischen den mehreren Brennstoffdüsen (22) befestigt ist.
9. Verfahren zum einsatzspezifischen Anpassen eines Gasturbinen-Verbrennungssystems zur Erfüllung der Anforderungen an die Maschinenleistungsabgabe, wobei das Verfahren die, Schritte aufweist: Ermitteln einer Anzahl von Brennstoffdüsen (22), die zur Erfüllung der Anforderungen an die Maschinenleistungsabgabe erforderlich sind; Konstruieren eines tragenden Brennstoffverteilers (12) mit mehreren der Anzahl der Brennstoffdüsen entsprechenden Brennstoffdüsenhalteöffnungen (14) und mehreren Brennstoffleitungskanälen (16); Befestigen der mehreren Brennstoffdüsen jeweils einzeln in den mehreren Brennstoffdüsenhalteöffnungen; Verbinden der Brennstoffleitungen (24) mit den mehreren Brennstoffleitungskanälen, um an die Brennstoffdüsen Brennstoff zu liefern; und Zusammenbauen des Gasturbinen-Verbrennungssystems durch Verbinden des tragenden Brennstoffverteilers, der mehreren Brennstoffdüsen und der mehreren Brennstoffleitungen mit einem hinteren Gehäuse (18).
10. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner den Schritt der stufenweisen Ausgabe aus den mehreren Brennstoffdüsen (22) aufweist. 5