DE10043933A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine und Gasturbine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Eindüsung eines gasförmigen Brennstoffes (8) in einen Heißgasstrom (5) einer Gasturbine durch Bohrungen (7), welche sich in den Leitschaufeln (3¶1¶) einer Leitschaufelreihe (3) der Gasturbine befinden. Dort oxidiert der gasförmige Brennstoff (8) flammenlos. Hinter der ersten Leit- (3) und Laufschaufelreihe (4) befinden sich ein Ausbrandkanal (6) und eine zweite Leit- (3) und Laufschaufelreihe (4).

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum Betrieb der Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und um eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

STAND DER TECHNIK

Aus der Offenlegungsschrift DE-A1-44 17 538 ist eine Brennkammer mit Selbstzündung bekannt. In dieser Brennkammer werden durch eine Brennstofflanze Brennstoff und Stützluft in einen Heissgasstrom eingeführt, dort vermischt und die Mischung in einer nachgeschalteten Verbrennungszone verbrannt. Die Brennstofflanze befindet sich in einer Vormischstrecke und ist dort zentral angeordnet. Sie ist für etwa 10% des Gesamtvolumenstroms durch den Kanal dimensioniert, wobei der Brennstoff quer oder auch in Richtung zur Strömung eingedüst werden kann. Der eingedüste Brennstoff wird in Verbindung mit einem Anteil Stützluft über mehrere, radiale Öffnungen von den stromauf injizierten Wirbeln mitgerissen und mit der Hauptströmung vermischt. Der eingedüste Brennstoff folgt dem schraubenförmigen Verlauf der Wirbel und wird stromab in der Kammer gleichmässig verteilt. Derartige selbstzündenden Brennkammern erfordern aber relativ viele Einbauten.

Auf der anderen Seite sind beispielsweise aus den Schriften EP-A1-725 251 und aus EP-A2-698 764 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen von gasförmigen Brennstoff mittels flammenloser Oxidation bekannt. Die Vorteile liegen in der niedrigen Produktion von NO_x bei den eingesetzten Temperaturen. Da die Drücke bei denen derartige Verfahren gering sind, d. h. i. a. atmosphärische Bedingungen herrschen, ergeben sich im allgemeinen auch nur geringe Reaktionsdichten. Zudem entstehen Verluste bei diesen Verfahren durch die notwendige Vorwärmung des Brennstoffs und der Verbrennungsluft.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung löst die Aufgabe, ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine und eine Gasturbine zu schaffen, mit welchem/mit welcher es möglich ist, eine Reduktion von NO_x in den Abgasen zu erreichen bei einer gleichzeitigen Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbine.

Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass der Brennstoff durch mindestens eine Leitschaufel der Gasturbine in den Heissgasstrom eingedüst wird und im Heissgasstrom flammenlos oxidiert. Die erfindungsgemässe Aufgabe wird auch mit einer Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gelöst, bei welcher in mindestens einer der Leitschaufeln der mindestens einen Leitschaufelreihe Bohrungen zur Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs in den Heissgastrom vorhanden sind.

Durch eine flammenlose Oxidation des eingedüsten Brennstoffs bei einem erhöhten Druckniveau der Gasturbine wird die Produktion von NO_x vorteilhaft reduziert, da bei den angewendeten Temperaturen NO_x nur in einem sehr geringen Masse auftritt. Der Wirkungsgrad wird durch eine derartige Anordnung vorteilhaft erhöht.

Der Brennstoff kann an der Hinterkante, der Druck- oder Saugseite oder an der Plattform der Leitschaufel eingedüst werden. Eine Eindüsung durch die Hinterkante bzw. durch die Plattform der Leitschaufel hat den Vorteil, dass die Verluste durch auftretende Wirbel, welche an der Hinterkante bzw. hinter dar Plattform auftreten, verringert werden können. Zudem können die Wirbel genutzt werden, um den Brennstoff mit dem Heissgas verbessert zu vermischen. Es sollte vorteilhaft zwischen zwei Leit- und Laufschaufelreihen ein Ausbrandkanal angeordnet werden, welcher Raum für die flammenlose Oxidation lässt. Dieser Ausbrandkanal sollte die Länge einer Leit- und Laufschaufelreihe haben. Um die Kühlung des Ausbrandkanals vorteilhaft klein zu halten, sollten die Bohrungen, mit welchen der Brennstoff eingedüst wird, radial derart über die Höhe der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelreihe verteilt sein, dass der mit den Heissgasen gemischte und flammenlos oxidierte, gasförmige Brennstoff frühesten beim Beginn der zweiten Leitschaufelreihe, hinter dem Ausbrandkanal, den inneren und äusseren Schaufelkanalradius erreicht.

Im Prinzip können die Leit- und Laufschaufeln vor einer herkömmlichen Brennkammer und mindestens einer der Brennkammer folgenden Leit- und Laufschaufelreihe angeordnet werden. Die Menge des gasförmige Brennstoffs, welcher durch die Bohrungen der ersten Leitschaufelreihe eingedüst wird, wird nicht mehr als etwa 10% der Gesamtmenge des verwendeten Brennstoffs betragen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher bezeichnet, wobei

Fig. 1 einen Abschnitt einer Gasturbine mit Eindüsung eines gasförmigen Brennstoffs durch eine Leitschaufel und anschliessender flammenloser Oxidation des Brennstoffs darstellt,

Fig. 2 die Temperaturverteilung der Heissgase innerhalb des Abschnitts der Gasturbine der Fig. 1 mit und ohne flammenlose Verbrennung zeigt,

Fig. 3a, 3b verschiedene Orte der Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs an einer Leitschaufel darstellt,

Fig. 4 einen Abschnitt einer Gasturbine mit Eindüsung eines gasförmigen Brennstoffs durch eine Leitschaufel und anschliessender flammenloser Verbrennung des Brennstoffs mit einer Verteilung des Brennstoffs darstellt.

Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente werden in unterschiedlichen Figuren gleich bezeichnet.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1 zeigt einen Abschnitt 9 einer Gasturbine mit zwei Leitschaufelreihen 3 und zwei Laufschaufelreihen 4. Die Leitschaufeln 3 ₁, 3 ₂ der Leitschaufelreihen 3 sind am Stator 2 der Gasturbine, die Laufschaufeln 4 ₁, 4 ₂ der Laufschaufelreihen 4 sind am Rotor 1 der Gasturbine befestigt. Den Leit- 3 ₁, 3 ₂ bzw. Laufschaufeln 4 ₁, 4 ₂ gegenüberliegend ist ein Wärmestausegment 14 am Rotor 1 bzw. Stator 2 angebracht.

Erfindungsgemäss wird durch Bohrungen 7, welche sich in mindestens einer Leitschaufel 3 ₁ der ersten Leitschaufelreihe 3 befinden, ein gasförmiger Brennstoff 8 in den Heissgasstrom 5, welcher den Abschnitt 9 der Gasturbine durchströmt, eingedüst. Prinzipiell können sich die Bohrungen an der Hinterkante 1, an der Druck- 12 oder Saugseite 13 oder an der Plattform der Leitschaufel 3 ₁ befinden. Zwischen den beiden dargestellten Leit- 3 und Laufschaufelreihen 4 der Fig. 1 befindet sich ein Ausbrandkanal 6, in welchem im wesentlichen die flammenlose Oxidation des eingedüsten Brennstoffs 8 geschieht. Die Länge L des Ausbrandkanals 6 wird in etwa die Länge einer Leit- 3 und einer Laufschaufelreihe 4 haben.

Zur Fig. 1 korrespondierend zeigt die Fig. 2 den Temperaturverlauf in den Bereichen I-V. Der Bereich I und V korrespondiert zu den Leitschaufeln 3 ₁, 3 ₂, der Bereich III zur Laufschaufel 4 ₁, und der Bereich IV zum Ausbrandkanal 6. Während die untere Kurve in der Fig. 2 einen Temperaturverlauf innerhalb des Abschnitt 9 der Gasturbine ohne flammenlose Oxidation darstellt, ergibt sich am Ende des Bereichs IV (Ausbrandkanal 6) des Abschnitts 9 der Gasturbine ein ΔT durch die Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs 8 in den Heissgasstrom 5. In diesem Fall liegt die Eintrittstemperatur T₂ der zweiten Leitschaufelreihe 3 etwas niedriger als die Eintrittstemperatur T₁ der ersten Leitschaufelreihe 3. Eine Temperaturdifferenz zwischen der unteren und der oberen Kurve wird sich aber bereits in den Bereichen I, II, III (erste Leit- 3 und Laufschaufelreihe 4 mit Zwischenraum) durch die dort beginnende Reaktion ergeben. Die Bereiche I, II, III vor dem Ausbrandkanal 6 haben jedoch vielmehr den Zweck für eine vollständige Durchmischung des Brennstoffs 8 mit dem Heissgasstrom 5 zu sorgen. Die Aufenthaltszeiten des Brennstoffs 8 in diesen Bereichen dürfte entsprechend den allgemeinen Zündzeiten bei einer angenommenen Luftzahl λ von 2 im Millisekundenbereich liegen.

Die Fig. 3a und 3b zeigen zwei erfindungsgemässe Leitschaufeln 3 ₁, welche mit Bohrungen 7 ausgestattet sind. In der Fig. 3a befinden sich die Bohrungen 7 an der Hinterkante 11, in der Fig. 3b an der Saugseite 13. Der gasförmige Brennstoff 8 wird durch einen inneren Kanal 10 zu den Bohrungen 7 geleitet und dort in den Heissgasstrom 5 eingedüst. Eine Einleitung des gasförmigen Brennstoffs 8 durch die Hinterkante hat den Vorteil, dass der Hinterkantenwirbel der Leitschaufel 3 ₁ gestört wird, was eine Verringerung der Verluste an dieser Stelle bedeutet. Ebenso ist auch eine Eindüsung in den Hufeisenwirbel hinter der Plattform der Leitschaufel 3 ₁ denkbar. Die Eindüsung in einen Wirbel hat zudem den Vorteil, dass der gasförmige Brennstoff 8 verbessert gemischt wird.

Die Fig. 4 zeigt eine besondere Ausführungsform des Abschnitts 9 der Gasturbine. Dabei sind die Bohrungen 7 radial derart über die Höhe der Leitschaufeln 3 ₁ der ersten Leitschaufelreihe 3 verteilt sind, dass der mit den Heissgasen gemischte und flammenlos oxidierte, gasförmige Brennstoff 8 frühesten beim Beginn der zweiten Leitschaufelreihe 3, hinter dem Ausbrandkanal 6, den inneren und äusseren Schaufelkanalradius erreicht. Vorteilhaft kann damit die Kühlung des Ausbrandkanals 6 minimiert werden. Die Fig. 4 zeigt die Ausbreitung des Brennstoffs 8 bzw. die damit verbundene Reaktionszone schematisch. Die Kühlung der zweiten Leit- 3 und Laufschaufelreihe 4 und der folgenden, nicht dargestellten Stufen ist jedoch aufgrund der erhöhten Temperatur zu verstärken.

Vorteilhaft kann mit der flammenlosen Oxidation eine Reduktion der NO_x-Werte erreicht werden, da die eingesetzten Temperaturen niedrig gehalten werden. Zudem ergeben sich hohe Reaktionsdichten, da bei den verwendeten Gasturbinen entsprechend hohe Drücke herrschen. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird der Heissgasstrom 5, welcher die zwei Leit- 3 und Laufschaufelreihen 4 und den Ausbrandkanal 6 durchströmt, durch eine herkömmliche Brennkammer erzeugt und ist bereits über mindestens eine weitere Leit- und Laufschaufelreihe entspannt worden. In einem solchen Fall wird der eingesetzte Brennstoff maximal 10% der gesamten Brennstoffmenge betragen. Durch eine entsprechende Anordnung ergibt sich bei einer reduzierten NO_x-Bildung ein erhöhter Wirkungsgrad der gesamten Gasturbine.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Rotor

2

Stator

3

Leitschaufelreihe

3 ₁

,

3 ₂

Leitschaufeln der ersten bzw. zweiten Leitschaufelreihe

3

4

Laufschaufelreihe

4 ₁

,

4 ₂

Laufschaufeln der ersten bzw. zweiten Laufschaufelreihe

4

5

Heissgastrom

6

Ausbrandkanal

7

Bohrung

8

Brennstoff

9

Abschnitt der Gasturbine

10

Kanal

11

Hinterkante

12

Druckseite

13

Saugseite

14

Wärmestausegment
L Länge von Ausbrandkanal

6

T₁

, T₂

Temperatur bei Eintritt der ersten, zweiten Laufschaufelreihe
ΔT Temperaturdifferenz durch flammenlose Oxidation
x Länge des Abschnitts

9

Claims (11)

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, bei dem ein gasförmiger Brennstoff (8) in einen Heissgasstrom (5) einer Gasturbine eingedüst wird, wobei die Gasturbine mindestens eine Leit- (3) und Laufschaufelreihe (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (8) durch mindestens eine Leitschaufel (3 ₁) der Leitschaufelreihe (3) der Gasturbine in den Heissgasstrom (5) eingedüst wird und im Heissgasstrom (5) flammenlos oxidiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Brennstoff (8) durch Bohrungen (7), welche sich an der Hinterkante (11), an der Druck- (12), an der Saugseite (13) oder an der Plattform der mindestens einen Leitschaufel (3 ₁) befinden, in den Heissgasstrom (5) eingedüst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine zwei Leit- (3) und Laufschaufelreihen (4) aufweist, der Brennstoff (8) durch Bohrungen (7), welche sich an den Leitschaufeln (3 ₁) der ersten Leitschaufelreihe (3) befinden, in den Heissgasstrom (5) eingedüst wird und sich zwischen der ersten Leit- (3) und Laufschaufelreihe (4) und der zweiten Leit- (3) und Laufschaufelreihe (4) ein Ausbrandkanal (6) befindet, in welchem der gasförmige Brennstoff (8) flammenlos oxidiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (7) radial derart über die Höhe der Leitschaufeln (3 ₁) der ersten Leitschaufelreihe (3) verteilt sind, dass der mit den Heissgasen gemischte und flammenlos oxidierte, gasförmige Brennstoff (8) frühesten beim Beginn der zweiten Leitschaufelreihe (3), hinter dem Ausbrandkanal (6), den inneren und äusseren Schaufelkanalradius erreicht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heissgasstrom (5) durch eine herkömmliche Brennkammer erzeugt wird und bereits über mindestens eine weitere Leit- und Laufschaufelreihe entspannt worden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des gasförmigen Brennstoffs (8), welcher durch die Bohrungen (7) der ersten Leitschaufelreihe (3) eingedüst wird, maximal 10% der Gesamtmenge des verwendeten Brennstoffs beträgt.

7. Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mindestens einer Leit- (3) und Laufschaufelreihe (4), dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der Leitschaufeln (3 ₁) der mindestens einen Leitschaufelreihe (3) Bohrungen (7) zur Eindüsung eines gasförmigen Brennstoffs (8) in den Heissgastrom (5) vorhanden sind.

8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bohrungen (7) zur Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs (8) in der Hinterkante (11), in der Druck- (12) oder Saugseite (13) oder in der Plattform der mindestens einen Leitschaufel (3 ₁) befinden und die Bohrungen (7) radial über die Höhe der mindestens einen Leitschaufel (3 ₁) verteilt sind.

9. Gasturbine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Leit- (3) und Laufschaufelreihen (4) vorhanden sind, die Leitschaufeln (3 ₁) der ersten Leitschaufelreihe (3) Bohrungen (7) zur Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs (8) in den Heissgasstrom (5) aufweisen und sich zwischen den beiden Leit- (3) und Laufschaufelreihen (4) ein Ausbrandkanal (6) befindet.

10. Gasturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbrandkanal (6), in welchem der gasförmige Brennstoff (8) oxidiert, die Länge (L) einer Leit- (3) und Laufschaufelreihe (4) hat.

11. Gasturbine nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laufschaufelreihen (3, 4) hinter einer Brennkammer und mindestens einer der Brennkammer folgenden weiteren Leit- und Laufschaufelreihe angeordnet sind.