CH703230B1 - Gasturbine mit einstufiger Brennstoffeinspritzung. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer einstufigen Brennstoffeinspritzung, wobei die Gasturbine (10) eine Vielzahl von Brennkammern aufweist. Jede der Brennkammern weist eine Vielzahl von äusseren Brennstoffdüsen auf, die um eine Längsachse der Brennkammer herum angeordnet sind und betrieben werden können, um Brennstoff zur Zündung in einer primären Reaktionszone der Brennkammer einzuspritzen. Eine zentrale Brennstoffdüse ist im Wesentlichen entlang der Längsachse der Brennkammer angeordnet und ist so ausgebildet, dass sie Brennstoff einspritzt, der aus der primären Reaktionszone stromabwärts in eine weitere Reaktionszone strömt, bevor er sich entzündet. Die zentrale Düse weist eine körperliche Beschaffenheit auf, so dass die Flamme bei einem Äquivalenzverhältnis von grösser als 0,65 stabilisiert und bei einem Äquivalenzverhältnis bis zu 0,65 destabilisiert ist. Dabei unterscheidet sich die körperliche Beschaffenheit der zentralen Brennstoffdüse von den äusseren Brennstoffdüsen, und die zentrale Brennstoffdüse ist so ausgebildet, dass sie Turbulenzen und Strömungsrezirkulationen des von der zentralen Brennstoffdüse gelieferten Brennstoffs im Vergleich mit den äusseren Brennstoffdüsen minimiert.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Die offenbarten Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich allgemein auf Gas- und Flüssig-Kraftstoff-Turbinen, die Rohr-Ring-Verbrennungssysteme umfassen.

[0002] Routinemässig wird die DLN-Technologie (sogenannte «Dry-Low-NOx-Technologie») zur Beeinflussung der Emissionen bei industriellen Gasturbinen mit gasförmiger Kraftstoffverbrennung und mit Rohr-Ring-Verbrennungssystemen durch Vormischen von Brennstoff und Luft angewandt. Der Hauptvorteil des Vormischens ist das Bereitstellen einer einheitlichen Verbrennungsgeschwindigkeit, was relativ konstante Reaktionszonentemperaturen mit sich bringt. Durch sorgfältige Luftregulierung können diese Temperaturen optimiert werden, um sehr geringe Emissionen von Stickoxiden (NOx), Kohlenstoffmonoxiden (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) zu erzeugen. Die Modulation einer zentralen Vormisch-Kraftstoffdüse kann die Erweiterung des Betriebsbereichs dadurch ermöglichen, dass das Brennstoff-Luft-Verhältnis und entsprechende Reaktionsgeschwindigkeiten der äusseren Düsen relativ konstant gehalten werden, während die Brennstoffzufuhr in die Turbine variiert wird.

[0003] Die mehrstufige Brennstoffeinspritzung, nachfolgend auch als Brennstoffstufung bezeichnet, ist den Fachleuten als Mittel bekannt, um höhere Turbineneinlasstemperaturen mit einheitlicher Wärmeabgabe zu erreichen. Axial gestufte Systeme beinhalten mehrere Ebenen der Brennstoffeinspritzung entlang des Brennkammerströmungspfades. Die Verwendung von axialer Brennstoffstufung erfordert besondere Konstruktionsüberlegungen, um den Brennstoff in die Verbrennungsprodukte mit hoher Temperatur einzuspritzen. Die hohe Temperatur und der Druck in der Umgebung der letzteren Stufen einer axial gestuften Brennkammer haben die Entwicklung von stabilen Konstruktionen, die sich für die gewerbliche Anwendung eignen, verhindert.

[0004] Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine neue Gasturbine anzugeben, die mit einer einstufigen Anordnung eine Brennstoffstufung erzielt, um geringere maximale Verbrennungstemperaturen zu erreichen. Derartige Gasturbinen haben den Vorteil, dass sie entsprechend niedrige NOx- und CO-Emissionen aufweisen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0006] Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch besser verstanden werden, wenn die nachfolgende detaillierte Beschreibung mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchgängig gleiche Teile charakterisieren, wobei: Fig. 1 eine Darstellung einer Brennkammerbetriebsfähigkeit oder einer Flammenstabilität für ein Gasturbinenverbrennungssystem ist; Fig. 2 eine grafische Darstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Brennstoff und Luft (X-Achse) im Bezug zu den NOx-Niveaus bei 15% O2(Y-Achse) ist, die den Vorteil einer späten mageren Verbrennung zeigt; Fig. 3 zeigt die Bereiche der Flammenstabilität für ein Vormisch-Verbrennungssystem, wobei der Bereich «1» der Bereich ist, in dem konventionelle Brennstoffdüsen nicht in der Lage sind, eine Flamme zu stabilisieren (konventioneller magerer Ausstoss), der Bereich «2» der Bereich ist, in dem die verbesserte Brennstoffdüse nicht in der Lage ist, eine Flamme zu stabilisieren (erweiterter magerer Ausstoss) und der Bereich «3» ein Bereich ist, in dem alle Brennstoffdüsen eine Flamme stabilisieren können; Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Rohr-Ring-Brennkammer einer Turbine in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel, Fig. 5 ist eine schematische Vorderansicht einer Endabdeckung und einer Brennstoffdüsenanordnung in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; Fig. 6 ist eine schematische Querschnittansicht einer äusseren Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsbeispielen; Fig. 7 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; Fig. 8 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; Fig. 9 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; Fig. 10 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; Fig. 11 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; Fig. 12 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; Fig. 13 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; Fig. 14A ist eine Darstellung von Flammenformen bei einer konventionellen Rohr-Ring-Brennkammer; Fig. 14B ist eine Darstellung von Flammenformen für eine Rohr-Ring-Brennkammer in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; und Fig. 14C ist eine Darstellung von Flammenformen für eine Rohr-Ring-Brennkammer in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0007] Vor Beginn der Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail ist in diesem Zusammenhang festzustellen, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung nicht auf ihre Anwendung hinsichtlich der Einzelheiten der Konstruktion und auf die Anordnung der Komponenten beschränkt sind, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung erläutert oder in der Zeichnung dargestellt ist.

[0008] Die Begriffe «erste», «zweite», und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, sollen keine Reihenfolge, Menge oder Relevanz beinhalten, sondern werden vielmehr verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Die unbestimmten Artikel (ein, eine, einer, ... ) sollen keine Beschränkung auf die Menge beinhalten, sondern vielmehr das Vorhandensein von zumindest einem Gegenstand bezeichnen, auf den sich der unbestimmte Artikel bezieht. Der Ausdruck «etwa» bei seiner Verwendung mit einer Mengenangabe schliesst den angegebenen Wert ein und hat die durch den Zusammenhang bestimmte Bedeutung (zum Beispiel schliesst er den Fehlerbereich bei der Messung von einer bestimmten Menge ein).

[0009] Die Bezugnahme auf «ein Ausführungsbeispiel» bedeutet durchgängig durch die Beschreibung, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder eine Beschaffenheit, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, in wenigstens einem Ausführungsbeispiel enthalten ist. Daher bedeutet das Auftreten des Ausdrucks «in einem Ausführungsbeispiel» an verschiedenen Stellen in der Beschreibung nicht zwingend die Bezugnahme auf dasselbe Ausführungsbeispiel. Ferner können bestimmte Merkmale, Strukturen oder Beschaffenheiten auf irgendeine geeignete Weise in einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kombiniert werden.

[0010] Vorgesehen ist eine Gasturbine, die eine erfindungsgemässe Verbrennungsstufung bei einstufiger Brennstoffeinspritzung verwendet, um sehr niedrige Emissionen bei der Verbrennung gasförmigen Brennstoffs zu erreichen.

[0011] Dabei weist eine Brennstoffdüsenanordnung eine körperliche Beschaffenheit auf, so dass die Stabilisierung der Flamme teilweise vermieden ist, weshalb die Gasturbine ohne den Einsatz einer Stromabwärts-Brennstoffeinspritzung arbeiten kann. Die gewünschten niedrigen Emissionen werden dadurch bereitgestellt.

[0012] Fig. 1 ist eine grafische Darstellung der Flammenstabilität für ein konventionelles Gasturbinenverbrennungssystem. Wie dargestellt ist die Flammenstabilität eine Funktion des Brennstoff-Luft-Verhältnisses und des Luftstroms. Es gibt einen Bereich der stabilen Verbrennung, dessen Grösse potenziell durch mehrere Variablen beeinflusst werden kann, einschliesslich der Brennstoffart. Die Brennstoffdüsenanordnung der Gasturbine wie sie hierin vorgeschlagen wird, ist körperlich so beschaffen, dass für einen Teil der Brennstoffdüsen der Bereich der stabilen Verbrennung verringert ist und der Bereich der Flammenstabilität zu höheren Werten verlagert ist.

[0013] Die Vermeidung der Flammenstabilisierung erlaubt wiederum, dass sich unverbrannter Brennstoff stromabwärts ausbreitet, jenseits der primären Reaktionszone der benachbarten Brennstoffdüsen. Das heisst, dass eine durch die vorliegende Düse gestützte Flamme nicht auf der Stelle brennen wird, sondern innerhalb der Brennkammerzone der Anordnung und/oder der Brennkammer. Das Ergebnis ist vergleichbar zu dem, das durch axiale Brennstoffstufung erreicht wird, ohne die konventionelle Anforderung, stromabwärts Brennstoff einzuspritzen.

[0014] Die Vorteile der axialen Brennstoffstufung oder der späten mageren Einspritzung für NOx-Emissionen durch eine vorgemischte Flamme sind grafisch in Fig. 2 veranschaulicht. Die durchgezogene Linie zeigt den konventionellen Fall vom Verhältnis NOx relativ zum Brennstoff-Luft-Stöchiometrie-Verhältnis (im Folgenden auch Äquivalenzverhältnis), während das Verhältnis NOx relativ zum Äquivalenzverhältnis in Düsen, Anordnungen und Brennkammern mit axialer Brennstoffstufung in gepunkteter Linie dargestellt ist (von Fachleuten wird dies gelegentlich auch als späte magere Brennstoffeinspritzung bezeichnet). Wie dargestellt, ergibt sich ein erweiterter Betriebsbereich für Brennstoff-Luft-Verhältnisse, der schon in der Lage ist, bei den geforderten NOx-Emissionen zu arbeiten. Das späte oder verzögerte Einbringen eines Teils des Brennstoffs ermöglicht die Erweiterung der gesamten Flammenzone, was wiederum in einer Absenkung der Spitzentemperaturen und einer Reduzierung der NOx-Emissionen resultiert. Jedoch war es noch nicht möglich, ein zweckmässiges Mittel aufzuzeigen, die stromabwärts angeordneten Brennstoffdüsen oder die Brennstoffdüsen zur späten Einspritzung in dem Pfad des Hochtemperatur-Verbrennungsgases anzuordnen. Bei der erfindungsgemässen Gasturbine wird dieser erweiterte Betriebsbereich dadurch zur Verfügung gestellt, dass durch die körperliche Beschaffenheit der zentralen Düse die späte Einspritzung vermieden werden kann, während derselbe Effekt erreicht wird. Obwohl die vorliegende Düse in der Lage ist, die Vorteile der späten mageren Einspritzung bereitzustellen, ohne eine derartige Konfiguration zu benötigen, ist die Düse jedoch auch in der Lage, hohe Brennstoff-Luft-Verhältnisse zu verwenden, das heisst, grösser als 0,65 für Betriebsarten mit niedriger Leistung.

[0015] Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der NOx-Emissionen gegenüber dem Brennstoff-Luft-Verhältnis. Der rechte Bereich der Darstellung zeigt den normalen Bereich eines mageren Ausstosses für eine Vormisch-Brennstoffdüse. Der zentrale Bereich zeigt einen Bereich von erweitertem magerem Ausstoss, der durch die Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden zentralen Brennstoffdüse erreicht werden kann. Der linke Bereich zeigt einen Bereich, in dem eine Flammenstabilisierung an der zentralen Brennstoffdüse nicht auftreten kann wegen ungenügender Brennstoffströmung oder einem viel zu geringen Brennstoff-Luft-Verhältnis.

[0016] Daher wird hierin eine Düse bereitgestellt, die anforderungsgemäss Teil einer Brennkammeranordnung ist, die in einer Rohr-Ring-Konfiguration in einer industriellen Gasturbine vorhanden ist. Die vorliegenden Düsen, Anordnungen und Brennkammern sind vorteilhafterweise auf niedrige bis moderate Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnisse eingestellt, zum Beispiel bei Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnissen von weniger als 0,65, wie diese typischerweise in Betriebsarten mit hoher Leistung verwendet werden.

[0017] Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine der Brennkammern einer Turbine, umfassend eine Rohr-Ring-Brennkammer-Konfiguration. Die Gasturbine 10 enthält einen Kompressor 12 (teilweise dargestellt), eine Vielzahl von Brennkammern 14 (eine ist dargestellt) und eine Turbine, die hier durch eine einzige Schaufel 16 veranschaulicht ist. Obwohl nicht explizit dargestellt, steht die Turbine in Antriebsverbindung mit dem Kompressor 12 entlang einer gemeinsamen Achse. Der Kompressor 12 setzt Einlassluft unter Druck, die dann in umgekehrter Richtung zur Brennkammer 14 strömt, wo sie dazu verwendet wird, die Brennkammer 14 zu kühlen und Luft für den Verbrennungsprozess bereitzustellen.

[0018] Wie oben angegeben, enthält die Gasturbine eine Vielzahl von Brennkammern 14, die im Umfangsbereich der Gasturbine angeordnet sind. Ein doppelwandiger Übergangskanal 18 verbindet das Auslassende jeder Brennkammer mit dem Einlassende der Turbine, um die heissen Verbrennungsprodukte an die Turbine zu liefern. Die Zündung in den verschiedenen Brennkammern 14 wird durch eine Zündkerze 20 in Verbindung mit Überschlagrohren 22 auf bekannte Weise erreicht.

[0019] Jede Brennkammer 14 enthält ein im Wesentlichen zylindrisches Brennkammergehäuse 24, das an einem offenen vorderen Ende mit dem Turbinengehäuse 26 über Bolzen 28 befestigt ist. Das turbinenferne (auch als rückseitig bezeichnete) Ende des Brennkammergehäuses ist durch eine Endabdeckungsanordnung 30 geschlossen, die Zufuhrrohre, Verteiler und zugeordnete Ventile für die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff, flüssigem Brennstoff, Luft und Wasser zu der Brennkammer 14 enthält, wie dies nachfolgend genauer beschrieben ist. Die Endabdeckungsanordnung 30 nimmt eine Vielzahl (zum Beispiel 3 bis 6) von «äusseren» Brennstoffdüsen 32 (eine ist dargestellt) sowie eine zentrale Düse 33 auf, wobei die «äusseren» Brennstoffdüsen 32 in einer ringförmigen Anordnung um die Längsachse der Brennkammer 14 angeordnet sind.

[0020] Im Brennkammergehäuse 24 ist im Wesentlichen konzentrisch dazu eine im Wesentlichen zylindrische Strömungshülse 34 angeordnet, die mit ihrem vorderen Ende mit der äusseren Wand 36 des doppelwandigen Übergangskanal 18 verbunden ist. Die Strömungshülse 34 ist mit ihrem rückseitigen Ende mittels eines radialen Flansches 35 mit dem Brennkammergehäuse 24 an einer Stossverbindungsstelle 37 verbunden, an der vordere und hintere Abschnitte des Brennkammergehäuses 24 verbunden sind.

[0021] In der Strömungshülse 34 ist konzentrisch eine Brennkammerwand 38 angeordnet, die mit ihrem vorderen Ende mit der inneren Wand 40 des Übergangskanals 18 verbunden ist. Das rückseitige Ende der Brennkammerwand 38 wird durch eine Brennkammerwandkappenanordnung 42 abgestützt, die wiederum im Brennkammergehäuse durch eine Vielzahl von Streben 39 und eine zugeordnete Befestigungsanordnung abgestützt ist. Die äussere Wand 36 des Übergangskanals 18 und dieser Teil der Strömungshülse 34, die sich, ausgehend von der Stelle, an der das Brennkammergehäuse 24 mit dem Turbinengehäuse durch Bolzen verbunden ist, nach vorne erstrecken, sind mit einer Anordnung von Öffnungen 44 an ihren betreffenden Umfangsflächen versehen, um der Luft eine Strömungsumkehr vom Kompressor 12 durch die Öffnungen 44 in den Ringraum zwischen der Strömungshülse 34 und der Brennkammerwand 38 hin zum stromaufwärtsseitigen oder rückseitigen Ende der Brennkammer zu ermöglichen (wie dies die Strömungspfeile in Fig. 4 zeigen).

[0022] Die Brennkammerwandkappenanordnung 42 trägt eine Vielzahl von Vormischrohren 46, eines für jede «äussere» Brennstoffdüsen 32 und ein weiteres für die zentrale Düse 33. Genauer ist jedes Vormischrohr 46 innerhalb der Brennkammerkappenanordnung 42 an seinem vorderen und rückwärtigen Ende durch vordere und rückwärtige Platten 47 bzw. 49 abgestützt, die jeweils mit Öffnungen versehen sind, die mit den offene Enden aufweisenden Vormischrohren 46 fluchten. Die vordere Platte 47 (eine Prallplatte, die mit einer Reihe von Kühlungsöffnungen versehen ist) kann von der thermischen Strahlung der Brennkammerflamme durch Abschirmplatten (nicht dargestellt) abgeschirmt sein.

[0023] Die rückwärtige Platte 49 ist auf einer Mehrzahl von rückseitig verlaufenden Gleitkragen 48 angebracht (einer für jedes Vormischrohr 46, im Wesentlichen fluchtend mit den Öffnungen in der rückwärtigen Platte angeordnet), wobei jeder einen Luftdrallerzeuger 50 trägt, der eine radial äusserste Wand der betreffenden Düsen umgibt. Die Anordnung ist derart, dass die in dem Ringraum zwischen der Brennkammerwand 38 und der Strömungshülse 34 strömende Luft dazu gezwungen wird, im rückseitigen Ende der Brennkammer (zwischen der Endabdeckungsanordnung 30 und Hülsenöffnung 44) erneut die Richtung umzukehren und durch die Drallerzeuger 50 und die Vormischrohre 46 zu strömen. Die konstruktiven Details der Brennkammerwandkappenanordnung 42, der Art und Weise, wie die Brennkammerwandkappenanordnung im Brennkammergehäuse gehalten ist, und die Art und Weise, wie die Vormischrohre 46 in der Brennkammerwandkappenanordnung gehalten sind, ist Gegenstand des US-Patentes 5 259 184, auf das Bezug genommen wird und dessen Inhalt durch Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.

[0024] Fig. 5 zeigt schematisch eine vorderendseitige Darstellung und eine Brennstoffdüsenanordnung eines Ausführungsbeispiels einer Endabdeckungsanordnung einer Rohr-Ring-Brennkammer, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Wie oben erläutert, sind äussere Brennstoffdüsen 32 und eine zentrale Düse 33 an der Endabdeckung 30 angebracht. Die Endabdeckung 30 umfasst interne Durchgänge, die den Düsen gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff, Wasser und zu zerstäubende Luft zuführen, wie dies nachfolgend detailliert beschrieben ist. Die Leitungen und die Rohre für die Versorgung mit den verschiedenen Fluiden sind wiederum mit der Aussenfläche der Endabdeckungsanordnung verbunden.

[0025] Die äusseren Brennstoffdüsen 32 können beschaffen sein, um vorgemischten gasförmigen Brennstoff, flüssigen Brennstoff, eingespritztes Wasser, zerstäubte Luft und/oder verteilten Brennstoff zuzuführen. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die äusseren Brennstoffdüsenanordnungen 32 und die zentrale Düse 33 dazu eingerichtet, vorgemischten gasförmigen Brennstoff zuzuführen.

[0026] Bezugnehmend auf Fig. 6 , enthält jede äussere Brennstoffdüse 32 einen rückseitigen Versorgungsabschnitt 72 mit Einlassen zur Aufnahme von flüssigem Brennstoff, eingespritztem Wasser, zu zerstäubender Luft und vorzumischendem gasförmigen Brennstoff sowie mit geeigneten Verbindungsdurchgängen, um jedes der oben genannten Fluide zuzuführen. Wie oben erwähnt, sind die äusseren Brennstoffdüsen 32 jeweils dazu eingerichtet, gasförmigen Brennstoff aufzunehmen und einem betreffenden Durchgang in einem vorderen oder entfernten Versorgungsabschnitt 74 der Brennstoffdüsenanordnung zuzuführen. Die äusseren Brennstoffdüsen 32 können dazu eingerichtet sein, im Wesentlichen parallel zur Längsachse (Symmetrieachse) der zentralen Brennstoffdüse 33 ausgerichtet zu sein, oder sie können nach aussen geneigt relativ zu dieser Achse verlaufen, so dass ihre Flammen geneigt sind gegenüber der Brennkammerwand. Eine solche Konfiguration ermöglicht dem Brennstoff der zentralen Düse, vor der Zündung weiter stromabwärts zu gelangen. Obwohl der genaue Winkel unkritisch ist, solange das vorbeschriebene Ziel erreicht wird, kann der Neigungswinkel durch die Brennkammerwand begrenzt sein. Zweckmässige Neigungswinkel mit Bezug zur Längsachse der zentralen Brennstoffdüse 33 sind im Bereich von etwa 1 Grad bis etwa 7 Grad zu erwarten.

[0027] Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der vorderseitige Versorgungsabschnitt der äusseren Brennstoffdüse 32 eine Reihe von konzentrischen Rohren. Die Rohre 76 und 78 beschreiben zumindest einen Gasdurchgang 80, der Vormisch-Gas-Brennstoff vom Vormisch-Gas-Brennstoff-Einlass 82 im rückseitigen Versorgungsabschnitt 72 über die Leitung 84 erhält. Die Vormischgasdurchgänge 80 stehen mit einer Vielzahl von radialen Brennstoffinjektoren 86 (Fig. 5 ) in Verbindung, wobei jeder von diesen mit einer Vielzahl von Injektionsanschlüssen oder Löchern 88 versehen ist, um Vormisch-Gas-Brennstoff in die Vormischzone innerhalb des Vormischrohres 46 abzugeben. Der eingespritzte Brennstoff vermischt sich mit Luft, die in Umkehrrichtung vom Kompressor 12 strömt.

[0028] Ein zweiter Durchgang 90 ist zwischen den konzentrischen Rohren 78 und 92 gebildet und wird dazu verwendet, Zerstäubungsluft vom Zerstäubungslufteinlass 94 über die Mündung 96 in die Verbrennungszone 70 der Brennkammer 14 zu bringen. Ein dritter Durchgang 98 ist zwischen den konzentrischen Rohren 92 und 100 gebildet und wird dazu verwendet, Wasser vom Wassereinlass 102 in die Verbrennungszone 70 zu bringen, um NOx-Reduktionen zu bewirken, auf eine Weise, wie sie Fachleuten bekannt ist.

[0029] Das Rohr 100 selbst, das das Innerste einer Reihe von konzentrischen Rohren zur Bildung der äusseren Brennstoffdüse 32 darstellt, bildet einen zentralen Durchgang über den Flüssigbrennstoffeinlass 106. Der Flüssigbrennstoff tritt über eine Ausgangsmündung 108 im Zentrum der äusseren Brennstoffdüse 32 aus der Düse aus.

[0030] Somit stellen alle äusseren Brennstoffdüsen 32 und die zentrale Brennstoffdüse 33 vorgemischten gasförmigen Brennstoff zur Verfügung. Die zentrale Brennstoffdüse 33, aber nicht die äusseren Brennstoffdüsen 32, stellen eine passive Luftspülung zur Verfügung, und jede der äusseren Brennstoffdüsen 32, aber nicht die zentrale Brennstoffdüse 33, ist dazu eingerichtet, flüssigen Brennstoff, Wasser zur Emissionsabsenkung und zerstäubte Luft bereitzustellen. Eine Anzahl von quaternären Stiften (nicht dargestellt) ist in Umfangsrichtung um das vorderseitige Brennkammergehäuse 24 angeordnet, um Brennstoff durch acht Löcher pro Stift zu verteilen.

[0031] Die zentrale Brennstoffdüse 33 weist eine körperliche Beschaffenheit auf, die Turbulenzen und Strömungsrezirkulationen minimiert, so dass die Flammenstabilität unzureichend ist. Die zentrale Brennstoffdüse 33 ist daher in der Lage, eine Flammendestabilisierung bei Äquivalenzverhältnissen unterhalb von 0,65 zu erreichen. Nicht-beschränkende Beispiele von körperlichen Beschaffenheiten, die eine solche Fähigkeit der zentralen Brennstoffdüse 33 ermöglichen, enthalten ein oder mehrere aerodynamische Merkmale, wie etwa eine stromlinienförmige Düsenspitze, eine Düsenspitzenluftspülung, einen stromlinienförmigen Drallerzeuger, duale Drallerzeuger, duale Gegenrotations-Drallerzeuger, Drallerzeuger-Düsen-Kombinationen, Einlassströmungskonditionierer, Vormischrohrausgangsdüsentrichter und/oder divergierende Vormischrohrwände.

[0032] Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsbeispielen die zentrale Brennstoffdüse 33 mit einer stromlinienförmigen Spitze, alleine oder in Kombination mit einer Düsenspitzenluftspülung, versehen sein, die sowohl den hinteren Abschnitt der Düse kühlt und die verbleibenden Rezirkulationszonen tilgt. Dadurch hat die Flamme Schwierigkeiten, sich in dem Bereich der Düsenspitze zu halten, das heisst, die zentrale Brennstoffdüse 33 weist eine reduzierte Flammenstabilität auf verglichen mit einer konventionellen zentralen Brennstoffdüse. Und somit strömt vorgemischter Brennstoff, der von der zentralen Brennstoffdüse 33 abgegeben wird, vor der Zündung stromabwärts. Das Ergebnis ist vergleichbar mit dem Effekt der axialen Brennstoffstufung, aber bedarf vorteilhafterweise keiner stromabwärts angeordneten Brennstoffeinspritzung.

[0033] Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die zentrale Brennstoffdüse 33 irgendeine Anzahl von Drallerzeugern in irgendeiner Konfiguration aufweisen. Zum Beispiel kann die zentrale Brennstoffdüse mit einem stromlinienförmigen Drallerzeuger, dualen Drallerzeugern, dualen Gegenrotationsdrallerzeugern, einem mit einer Düse oder einem Brennstoffinjektionsstift 124 kombinierten Drallerzeuger usw. versehen sein. Irgendeiner dieser Drallerzeuger kann zur Rotations- oder Gegenrotationsströmung von dort abgegebenen Fluiden vorgesehen sein und kann dazu dienen, die an der Spitze der zentralen Brennstoffdüse 33 vorhandene Flamme zu destabilisieren. Auch kann die zentrale Brennstoffdüse 33 mit einem Vormischrohr mit einem «glockenförmigen» Ausgang vorgesehen sein. Einlassströmungskonditionierer können auch dazu verwendet werden, um die gewünschte Flammendestabilisierung zu erreichen. Irgendeine dieser Massnahmen kann alleine oder in irgendeiner Kombination verwendet werden. Mehrere Ausführungsformen solcher Konfigurationen der zentralen Brennstoffdüse 33 sind in den Fig. 7 bis 13 gezeigt.

[0034] Ein Ausführungsbeispiel der zentralen Brennstoffdüse 33 ist in Fig. 7 gezeigt. Wie dargestellt, umfasst die zentrale Brennstoffdüsenanordnung 33 ein nahes Ende oder einen rückseitigen Versorgungsabschnitt 52 mit einem Durchgang 56, der sich durch die zentrale Düsenanordnung 33 erstreckt und zur Aufnahme einer passiven Luftspülung dient. Der Einlass 54 ist im Betrieb dazu eingerichtet, Luft über einen Entnahmeanschluss 112 vom Kompressorabgabeabschnitt 114 aufzunehmen, die beide in Fig. 4 gezeigt sind. Der zentrale Durchgang 56 versorgt die Verbrennungszone 70 der Brennkammer 14 (Fig. 4 ) passiv über die Düsenspitzenluftspülmündungen 58, die an dem vordersten Ende 60 der zentralen Brennstoffdüse 33 gebildet sind, mit Luft. Mit Bezug auf eine Turbine 10 ist das distale oder vordere Abgabeende 60 der zentralen Brennstoffdüse 33 im Vormischrohr 46 und nahe an der Verbrennungszone 70 angeordnet.

[0035] Einlässe 62 sind im rückseitigen Versorgungsabschnitt 52 der zentralen Brennstoffdüse 33 gebildet, um Gas-Brennstoff vorzumischen. Der Vormisch-Gasdurchgang 64 oder die Vormisch-Gasdurchgänge 64 stehen in Verbindung mit einer Vielzahl von radialen Brennstoffinjektoren 66 (Fig. 5 ), die jeweils mit einer Vielzahl von Brennstoffinjektionsanschlüssen oder Löchern 68 versehen sind, um Vormisch-Gas-Brennstoff in eine Vormischzone abzugeben, die im Vormischrohr 46 angeordnet ist.

[0036] Fig. 8 und 9 zeigen zwei zusätzliche Ausführungsbeispiele der zentralen Brennstoffdüse 33. Genauer weist die zentrale Brennstoffdüse 33 bei den in Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispielen eine stromlinienförmige Düsenspitze 116 sowie Düsenspitzenluftspülmündungen 114 auf, um die Spitze der zentralen Brennstoffdüse 33 zu kühlen und das Anhaften einer Flamme daran zu verhindern. Die in den Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispiele verwenden auch Drallerzeuger, um die Flamme zu destabilisieren, wobei das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 einen einzelnen stromlinienförmigen ringförmigen Drallerzeuger 118 zeigt und das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 einen dualen ringförmigen Drallerzeuger 118 verwendet.

[0037] Fig. 10 zeigt ein zusätzliches Ausführungsbeispiel einer zentralen Brennstoffdüse 33, wobei das Vormischrohr 120 mit einem glockenförmigen Auslass 122 versehen ist. Es wird angenommen, dass das Bereitstellen eines Vormischrohrs 120 mit einem solchen Auslass Turbulenzen und Strömungsrezirkulationen reduzieren kann, die wiederum die Flammenstabilität verbessern können. Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zentralen Brennstoffdüse 33, bei der ein Drallerzeuger 118 und Brennstoffinjektionsstifte 124 kombiniert sind, um eine «Dralldüse» 126 zu bilden. Dieses Ausführungsbeispiel stellt daher vorteilhafterweise eine aerodynamischere Konfiguration mit weniger Möglichkeiten zur Ausbildung von Turbulenzen, zur Wirbelbildung oder zur Rezirkulation bereit. Fig. 11 zeigt auch einen glockenförmigen Auslass eines Vormischrohrs 120, obwohl, wie oben erwähnt, dies nicht notwendigerweise der Fall ist und jede einzelne Beschaffenheit, die es der zentralen Brennstoffdüse 33 gestattet, eine destabilisierte Flamme bei Brennstoff-Luft-Verhältnissen von weniger als 0,65 zu erzeugen, allein oder in Kombination mit einer oder mehreren von anderen solcher Beschaffenheiten verwendet werden kann.

[0038] Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der zentralen Brennstoffdüse 33, bei der ein Einlassströmungskonditionierer 128 in der Nähe des kombinierten Drallerzeugers 118 und der Brennstoffstifte 124 oder der Dralldüse 126 vorhanden ist. Der Einlassströmungskonditionierer 128 kann als Strömungsgleichrichter angesehen werden und dient zur Bereitstellung einer einheitlich gerichteten Einlassströmung zum Drallerzeuger oder zu der Dralldüse. Der Vorteil ist, dass weniger Turbulenzen, Wirbelbildung oder Rezirkulation auftreten.

[0039] Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zentralen Brennstoffdüse 33, bei der das Vormischrohr 120 mit einer Glockenmündung 122 versehen ist, wobei die Glockenmündung 122 bezüglich der Längsachse der zentralen Brennstoffdüse 33 konisch divergiert.

[0040] Flammenformen für konventionelle Brennstoffdüsenanordnungen im Vergleich zu der erfindungsgemässen sind in den Fig. 14A bis 14C dargestellt. Genauer zeigt Fig. 14A ein konventionelles einstufiges Brennkammersystem mit später magerer Verbrennung und einer stabilisierten Flamme an allen Brennstoffinjektoren. Im Unterschied dazu ist in Fig. 14B eine erfindungsgemässe Brennstoffdüsenanordnung gezeigt, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden zentralen Brennstoffdüse umfasst und eine destabilisierte Flamme an der zentralen Brennstoffdüse zeigt, die erst weiter stromabwärts von der zentralen Brennstoffdüse zündet. Fig. 14C zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die äusseren Brennstoffdüsen nach aussen geneigt sind, was vor der Zündung eine Konvektion von unverbranntem Brennstoff noch weiter stromabwärts bewirkt.

[0041] Die Turbine arbeitet mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff in einer Reihe von Betriebsarten. In der ersten Betriebsart wird vorgemischter Gas-Brennstoff an zwei der äusseren Brennstoffdüsen 32 und der zentralen Brennstoffdüse 33 bereitgestellt, um die Turbine zu beschleunigen. Ab der Zündung und dem Abschluss des Überschlags der Zündung und bis ungefähr 95% der Drehzahl wird die Strömung von vorgemischtem Brennstoff zur zentralen Brennstoffdüse 33 abgeschaltet, und dieser Anteil des Brennstoffes wird umgeleitet zu zwei der äusseren Brennstoffdüsen 32. Ab etwa 95% der Drehzahl und bei einem Betrieb mit geringer Last wird die Strömung des vorgemischten Brennstoffes zu den äusseren Brennstoffdüsen 32 abgeschaltet, und dieser Anteil des Brennstoffes zum Vormischen des gasförmigen Brennstoffes wird an die zentrale Brennstoffdüse 33 abgegeben. Wenn die Last der Einheit weiter gesteigert wird, wird vorgemischter gasförmiger Brennstoff an zwei der äusseren Brennstoffdüsen 32 und an der zentralen Brennstoffdüse 33 bereitgestellt. Ab etwa 20% der Last wird die Strömung von zwei der äusseren Brennstoffdüsen auf drei der äusseren Brennstoffdüsen 32 verteilt, während die Strömung durch die zentrale Brennstoffdüse 33 aufrechterhalten wird. Ab etwa 30% der Last wird die Strömung von vorgemischtem gasförmigen Brennstoff durch die zentrale Brennstoffdüse 33 abgeschaltet und dieser Anteil des vorgemischten Gas-Brennstoffes wird durch die zwei der äusseren Brennstoffdüsen abgegeben, so dass alle äusseren Brennstoffdüsen 32 vorgemischten gasförmigen Brennstoff abgeben. Für eine kurze Zeitspanne wird der Brennstoff ausschliesslich an die äusseren, so genannten quaternären Vormischdüsen, abgegeben. Dann wird die zentrale Brennstoffdüse 33 wieder in Betrieb genommen, um vorgemischten gasförmigen Brennstoff durch die Vormisch-Gas-Brennstoff Durchgänge 64 abzugeben. Diese Betriebsart wird angewandt mit geregelten Brennstoffanteilen für die Vormisch-Gas-Düsen bis zu 100% des Lastverhältnisses. Um in der ersten und den beiden letztgenannten Betriebsarten zu arbeiten, muss die zentrale Brennstoffdüse im Allgemeinen in der Lage sein, die Flamme bei Äquivalenzverhältnissen grösser als 0,65 zu stabilisieren.

[0042] Es ist eine Gasturbine mit einer verbesserten zentralen Brennstoffdüse vorgesehen. Die zentrale Brennstoffdüse weist destabilisierende Flammenhaltecharakteristika auf, das heisst, die Düse ist nicht in der Lage, eine Flamme bis zu einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,65 zu stabilisieren. Daraus folgt, dass die durch die Flamme abgegebene Hitze verzögert ist, wodurch geringere Maximalflammentemperaturen und entsprechend geringere NOx-Niveaus erreicht werden. Die Flammenstabilisierungsfähigkeit ist für höhere Äquivalenzverhältnisse beibehalten, um den Betrieb der Brennkammer in anderen Abschnitten des Lastbereichs zu unterstützen.

Bezugszeichenliste

[0043] 10 Gasturbine 12 Kompressor 14 Brennkammern 16 Schaufeln 18 Übergangskanal 20 Zündkerze 22 Überschlagrohre 24 Brennkammergehäuse 26 Turbinengehäuse 28 Bolzen 30 Endabdeckungsanordnung 32 Äussere Brennstoffdüse 33 Zentrale Brennstoffdüse 34 Strömungshülse 35 Flanschverbindung 36 Äussere Wand 37 Stossverbindungsstelle 38 Brennkammerwand 39 Streben 40 Innere Wand 42 Brennkammerwandkappenanordnung 44 Öffnungen 46 Vormischröhre 47 Rückseitige Platte 48 Beweglicher Kragen 49 Rückseitige Platte 50 Drallerzeuger 52 Rückseitiger Versorgungsabschnitt 54 Passiver Spüllufteinlass 56 Durchgang 60 Vorderstes Ende 62 Einlässe 64 Vormischgasdurchgänge 68 Brennstoffeinspritzmündung 70 Verbrennungszone 72 Rückseitiger Versorgungsabschnitt 74 Entfernter Abgabeabschnitt 76 Rohr 78 Rohr 80 Vormischgasdurchgang 82 Vormisch-Gas-Brennstoff 84 Leitung 86 Radiale Brennstoffinjektoren 88 Brennstoffinjektormündungen 90 Durchgang 92 Rohr 94 Zerstäubungslufteinlass 96 Mündung 98 Durchgang 100 Rohr 102 Wassereinlass 106 Flüssigbrennstoffeinlass 108 Abgabemündung 112 Entnahmeanschluss 113 Kompressorabgabeabschnitt 114 Düsenspitzenluftspülmündung 116 Düsenspitze 118 Drallerzeuger 120 Vormischrohr 122 Glockenförmiger Ausgang 124 Brennstoffinjektionsstift 126 Dralldüse 128 Einlassströmungskonditionierer

Claims (5)

1. Gasturbine mit einer einstufigen Brennstoffeinspritzung, wobei die Gasturbine (10) aufweist: eine Vielzahl von Brennkammern (14), die um einen Umfang der Gasturbine (10) herum angeordnet sind, um eine Brennstoffeinspritzstufe auszubilden, wobei jede der Brennkammern (14) aufweist: eine Vielzahl von äusseren Brennstoffdüsen (32), die um eine Längsachse der Brennkammer (14) herum angeordnet sind und betrieben werden können, um Brennstoff zur Zündung in einer primären Reaktionszone der Brennkammer (14) einzuspritzen; eine zentrale Brennstoffdüse (33), die im Wesentlichen entlang der Längsachse der Brennkammer (14) angeordnet ist und so ausgebildet ist, dass sie Brennstoff einspritzt, der aus der primären Reaktionszone stromabwärts in eine weitere Reaktionszone strömt, bevor er sich entzündet; die zentrale Düse (33) eine körperliche Beschaffenheit aufweist, so dass die Flamme bei einem Äquivalenzverhältnis von grösser als 0,65 stabilisiert und bei einem Äquivalenzverhältnis bis zu 0,65 destabilisiert ist, wobei die körperliche Beschaffenheit der zentralen Brennstoffdüse (33) sich von den äusseren Brennstoffdüsen (32) unterscheidet und die zentrale Brennstoffdüse so ausgebildet ist, dass sie Turbulenzen und Strömungsrezirkulationen des von der zentralen Brennstoffdüse (33) gelieferten Brennstoffs im Vergleich mit den äusseren Brennstoffdüsen (32) minimiert.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, bei der die zentrale Brennstoffdüse (33) aufweist: einen rückwärtigen Versorgungsabschnitt (52), ein vorderes Ende (60) und einen zentralen Durchgang (56), der den rückwärtigen Versorgungsabschnitt (52) und das vordere Ende (60) miteinander verbindet, wobei das vordere Ende (60) Düsenspitzenluftspülmündungen (114) aufweist, um passiv Luft aus dem zentralen Durchgang (56) zuzuführen, um die Spitze (116) der zentralen Brennstoffdüse (33) zu kühlen und das Anhaften einer Flamme an der Spitze (116) zu verhindern.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, wobei die zentrale Brennstoffdüse (33) weiterhin ein Vormischrohr (46) aufweist, das die zentrale Brennstoffdüse (33) wenigstens teilweise umgibt, und wobei der rückwärtige Versorgungsabschnitt (52) Einlässe (62), Vormischgasdurchgänge (64) zum Empfangen von Vormischbrennstoff durch die Einlässe (62) sowie radiale Brennstoffinjektoren (66), um vorzumischenden Gas-Brennstoff in eine Vormischzone in dem Vormischrohr (46) abzugeben, aufweist.

4. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei die zentrale Brennstoffdüse (33) aufweist: mindestens einen stromlinienförmigen, ringförmigen Drallerzeuger (118), einen Einlassströmungskonditionierer (128), und/oder ein Vormischrohr (46) mit einem glockenförmig divergierenden Ausgang (122).

5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der äusseren Brennstoffdüsen (32) mit Bezug auf die Längsachse der Brennkammer (14) nach aussen in Richtung auf eine Brennkammerwand (38) geneigt ist.