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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Forschungstätigkeit von Gasturbinenherstellern konzentriert sich derzeit auf die Entwicklung von Programmen zur Herstellung neuer Gasturbinen mit hohem Wirkungsgrad, die ohne unerwünschte Luft verschmutzende Emissionen betrieben werden. Bei den von Gasturbinen, in denen herkömmliche Kohlenwasserstoff-Brennstoffe verbrannt werden, produzierten Luft verschmutzenden Emissionen handelt es sich primär um Stickstoffoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe.
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In der Praxis werden zur Steuerung der Schadstoffmenge in der Regel katalytische Reaktoren in Gasturbinen eingesetzt, da ein katalytischer Reaktor ein Brennstoff-Luft-Gemisch bei niedrigeren Temperaturen verbrennt und dadurch die bei der Verbrennung freigesetzte Menge an Schadstoffen reduziert. Da ein katalytischer Reaktor altert, muss das Äquivalenzverhältnis (tatsächliches Brennstoff/Luft-Verhältnis dividiert durch das stöchiometrische Brennstoff/Luft-Verhältnis für die Verbrennung) der den Reaktor durchströmenden Reaktanden vergrößert werden, um die Wirksamkeit des Reaktors mit der Zeit zu maximieren.
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US 2002/0184871 A1 , die auf die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung zurückgeht, beschreibt einen Brenner für eine Gasturbine, der die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist.
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US 6,331,110 B1 beschreibt eine Brenneranordnung für eine Gasturbine, bei der Luft durch einen Kanal zwischen einem äußeren Gehäuse und einer Strömungshülse der Brennkammer zugeführt wird, wobei die Brennkammer ein Brennkammerflammrohr innerhalb der Strömungshülse für die heißen Verbrennungsgase aufweist und wobei eine radiale Öffnung in dem Brennkammerflammrohr und der Strömungshülse ausgebildet ist. Eine Verdünnungshülse zur Zuführung von Verdünnungsluft zu der Brennkammer ist in den Öffnungen des Brennkammerflammrohrs und der Strömungshülse lösbar aufgenommen, und eine Zugangsöffnung ist in dem äußeren Gehäuse vorgesehen, die einen Zugang zu der Verdünnungshülse ermöglicht, um bedarfsweise eine Verdünnungshülse mit einer Querschnittsfläche durch eine andere Verdünnungshülse mit einer anderen Querschnittsfläche zu ersetzen, um das Niveau von NO
x-Emissionen anzupassen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung beinhalten einen Brenner für Gasturbinen, der aus einem Brennerkörper mit einer Öffnung und einem den Brennerkörper umschließenden Gehäuse besteht, zwischen denen ein Durchgang für den Transport der Verdichterabluft gebildet wird. Über mindestens ein Luftzugaberohr, das zwischen der Öffnung und dem Gehäuse angeordnet ist, wird eine bestimmte Menge der Verdichterabluft dem Brennerkörper zugeführt. Ein im Durchgang angeordneter Ring umschließt das Luftzugaberohr, so dass das Luftzugaberohr durch den Ring verläuft. Zwischen dem Ring und dem Luftzugaberohr befindet sich ein Spalt. Der Ring weist eine Vielzahl von Öffnungen auf.
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Weitere exemplarische Ausführungsformen der Erfindung beinhalten ein Verfahren zum Dämpfen der Verbrennung in einer Gasturbine, das das Zuführen einer festen Verdichterabluftmenge in einen Körper eines Brenners der Gasturbine und das Zuführen einer variablen Verdichterabluftmenge in den Körper vorsieht. Die feste Verdichterabluftmenge wird konzentrisch um die variable Verdichterabluftmenge verteilt und dem Körper über die Vielzahl der in den schwimmend gelagert angeordneten Ringen vorhandenen Öffnungen an jeder der Einblaspositionen zugeführt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Querschnittdarstellung eines Brenners, der einen Teil einer Gasturbine bildet.
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2 zeigt einen Schnitt durch das in 1 dargestellte Brennergehäuse mit einer Anordnung von Öffnungen zur Aufnahme von Verdichterluft.
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3 ist eine detaillierte Darstellung eines Schemas für die Bypass-Einblasung.
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4 ist eine detaillierte Darstellung eines Querschnitts durch einen schwimmend angeordneten Ring, wie er gemäß des Bypass-Einblasschemas montiert wird.
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5 ist eine Vorderansicht des in 4 dargestellten schwimmend angeordneten Rings.
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6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung ohne einen katalytischen Reaktor im Brenner.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gasturbinen bestehen in der Regel aus einer Verdichtereinheit, einer Verbrennungseinheit und einer Turbineneinheit. Die Verdichtereinheit wird von der Turbineneinheit in der Regel durch die Verbindung über eine gemeinsame Welle angetrieben. Die Verbrennungseinheit besteht in der Regel aus einer kreisförmigen Anordnung von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennern. In jedem Brenner wird ein Brennstoff/Luft-Gemisch zur Erzeugung des energiegeladenen Heißgases verbrannt, das durch ein Übergangsstück in die Turbineneinheit strömt. Zur Vereinfachung der vorliegenden Beschreibung wird nur ein Brenner beschrieben und veranschaulicht, da nachvollziehbar ist, dass alle anderen um die Turbine angeordneten Brenner einander im Wesentlichen gleichen.
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In 1 ist ein allgemein durch die Nummer 10 gekennzeichneter Brenner einer Gasturbine dargestellt, zu dem eine Baugruppe 12 zur Brennstoffeinspritzung mit einer einzelnen Düse oder einer Vielzahl von Brennstoffdüsen (nicht dargestellt) sowie eine Innenauskleidungsbaugruppe 13 gehören, die aus einer ersten Reaktionszone in der Brennkammer 14, einem zylindrischen Körper 16, der Teil einer Baugruppe 24 für die Brennstoffvormischung (Main Fuel Premixer, MFP) ist, und einer Hauptbrennkammer 29 besteht. Die Baugruppe 12 zur Brennstoffeinspritzung weist außerdem ein Gehäuse 20 auf, das den Körper 16 umschließt, sodass zwischen ihnen ein Durchgang 18, vorzugsweise ein Ringraum, gebildet wird. Eine Zündungsvorrichtung (nichtdargestellt) wird bereitgestellt und umfasst vorzugsweise eine elektrisch erregte Zündkerze zum Zünden eines Brennstoff/Luft-Gemischs in der Vorbrennerbaugruppe 11 während des Turbinenstarts. Aus einem Verdichter 40 über eine Einlassröhre 38 zugeführte Abluft 44 strömt durch den Ringraum 18 und gelangt durch eine Vielzahl von Bohrungen 22 an der ersten Brennkammer 14 in die Vorbrennerbaugruppe 11 und in den Körper 16.
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Die Verdichterabluft 44 gelangt unter einem Druckgefälle entlang der Verschlussbaugruppe 21 in den Körper 16, um sich dort mit dem Brennstoff aus der Brennstoffeinspritzungs-Baugruppe 12 zu vermischen. Die Verbrennung dieses Gemischs erfolgt in einer ersten Brennkammer bzw. Reaktionszone 14 innerhalb des Körpers 16 der Vorbrennerbaugruppe 11, wodurch die Temperatur der Verbrennungsgase so weit ansteigt, dass der Katalysator 27 reagiert. Verbrennungsluft aus der ersten Brennkammer 14 strömt zur Verbrennung durch die Baugruppe 24 für die Brennstoffvormischung (Main Fuel Premixer, MFP) und anschließend durch den Katalysator 27 in die Hauptbrennkammer bzw. Hauptreaktionszone 29. Zusätzlicher Brennstoff wird in die MFP-Baugruppe 24 gepumpt, um sich mit Heißgasen zu vermischen, die die erste Brennkammer 14 verlassen, sodass in der Hauptbrennkammer 29 eine Verbrennungsreaktion ausgelöst wird. Die bei der Verbrennung entstehenden Heißgase durchströmen entsprechend das Übergangsstück 36, um die Turbine anzutreiben (ein Einlassbereich der Turbine ist durch Nummer 42 gekennzeichnet).
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Eine vordefinierte Menge der Verdichterabluft 44 wird aus dem Ringraum 18 in einen Verteiler 26 über eine Anordnung von Öffnungen 25 (2) im Gehäuse 20 abgeführt, die in einen Ausgang 28 münden, der schlüssig an das ein Ende einer Bypassleitung 30 angrenzt, während das zweite Ende der Leitung 30 in einen Einblasverteiler 32 mündet. Ein Ventil 31 regelt die Luftmenge, die dem Verteiler 32 vom Verteiler 26 zugeführt wird. Die in den Verteiler 32 aufgenommene Abluft 44 wird durch eine Vielzahl von Luftzugaberohren 33 unter Umgehung des Katalysators 27 in den Körper 16 eingeblasen. Es ist festzustellen, dass die Luftzugaberohre 33 in der exemplarischen Ausführungsform als kreisförmige Rohre dargestellt sind, obwohl die Luftzugaberohre 33 eine beliebige Form aufweisen können und nicht kreisförmig sein müssen, solange das Rohr hohl ist, damit die Luft das Rohr durchströmen kann. Die einzelnen Luftzugaberohre 33 und der Verteiler 32 sind im Wesentlichen auf einer gemeinsamen axialen Ebene senkrecht zur Brennermittellinie angeordnet (entlang des Umfangs des Körpers 16 in der gleichen Ebene beabstandet).
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In 3 mündet jedes Luftzugaberohr 33 durch Öffnungen 34 in den Körper 16. Der Einblasverteiler ist mit abnehmbaren Flanschdeckeln 23 versehen, die im Wesentlichen radial an den entsprechenden Luftzugaberohren 33 ausgerichtet sind und so den Zugang zu den Rohren ermöglichen. Die Luftzugaberohre 33 werden von der Außenseite des Einblasverteilers 32, in Umfangsrichtung um das Gehäuse 20 und den Körper 16 herum zueinander beabstandet, durch Flanschdeckel 23 hindurch installiert. In einer exemplarischen Ausführungsform sind vier Luftzugaberohre 33 im Abstand von rund 90 Grad zueinander um das Gehäuse 20 herum angeordnet. Die eingeblasene Luft kühlt die Reaktion und dämpft den Verbrennungsprozess.
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Die 3 und 4 zeigen einen Querschnitt einer Brennerhälfte. Dies wird unter Bezugnahme auf die Brennermittellinie deutlich, die durch Nummer 58 gekennzeichnet ist. Jedes der Luftzugaberohre 33 grenzt mittels eines vorzugsweise schwimmend zentrierten Rings 60, der Öffnungen 61 (z. B. Bohrungen, Schlitze usw.) aufweist (auch als Ringöffnungen bezeichnet), an den Körper 16. Wenn die Verdichterabluft 44 den Ring 60 erreicht, wird die Luft 44 als eine vordefinierte Luftmenge 62 und als eine variable Luftmenge 64 definiert.
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Der schwimmende Ring 60 ermöglicht, dass die vordefinierte Luftmenge 62 aus dem Durchgang 18 konstant in den Heißgaspfad 63 des Brenners eingeblasen wird. Der Ring 60 ermöglicht, dass auch die durch die Bypassleitung 30 strömende und vom Ventil 31 (siehe 1) geregelte variable Luftmenge 64 in den Heißgaspfad 63 des Brenners eingeblasen wird. Folglich ermöglicht der schwimmend gelagerte Ring 60, dass eine variable Luftmenge 64 und eine feste Luftmenge 62, die konzentrisch außen um die variable Luftmenge 64 herum verteilt ist, in den Heißgaspfad 63 eingeblasen werden können.
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Das Luftzugaberohr 33 wird durch das Gehäuse 20 und den Durchgang 18 in den Körper 16 eingeführt. Das Luftzugaberohr 33 ist an das Gehäuse 20 angeschlossen, z. B. mit diesem verschraubt). In einer exemplarischen Ausführungsform existiert zwischen dem Körper 16 und einem Endstück 68 des Luftzugaberohrs 33 ein Zwischenraum. Der Zwischenraum 66 ist vorhanden, damit sich während des Brennerbetriebs beim Erwärmen und Ausdehnen des Luftzugaberohrs 33 und des Körpers 16 das Luftzugaberohr 33 nicht über den Körper 16 hinaus ausdehnt.
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Der schwimmend gehaltene Ring 60 ist an einem ersten Ende 70 am Körper 16 befestigt und liegt an einem zweiten Ende 72 am Luftzugaberohr an. Bei dem schwimmenden, ausgleichenden Ring 60 handelt es sich um ein zylindrisches Glied, das das Luftzugaberohr 33 im Durchgang 18 umschließt. Der schwimmende oder verschiebbare Ring 60 weist eine vordefinierte Anzahl von Öffnungen auf. Die Anzahl und die Größe der Öffnungen lässt sich variieren, um die Luftmenge 62 (feste Verdünnungsströmung) festzulegen, die dem Brenner konstant zugeführt wird. In einer exemplarischen Ausführungsform haben die Öffnungen 61 einen Durchmesser von ca. 0,6 Zentimeter bis ca. 1,3 Zentimeter und sind so ausgerichtet, dass zwei Reihen mit je 15 bis 20 Öffnungen gebildet werden, die im gleichen Abstand zueinander um den gesamten schwimmend angeordneten Ring 60 in einem abgewinkelten Abschnitt 86 des Rings 60 angeordnet sind, und dass eine Reihe mit 15 bis 20 Öffnungen gebildet wird, die im gleichen Abstand zueinander um den gesamten Ring in einem geraden Abschnitt 88 des Rings 60 angeordnet sind. Die Größe, Anzahl und Position der Bohrungen hängt jedoch von der Menge der festen Verdünnungsströmung ab, die wünschenswert oder erforderlich ist.
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In einer exemplarischen Ausführungsform ist der schwimmend angeordnete Ring 60 durch einen Halteclip 80 am Körper 16 montiert. Es können auch zwei Halteclips 80 an jeder Seite des schwimmend angeordneten Rings 60 angeordnet sein. Der Halteclip 80 greift über einen Vorsprung 82 des Körpers 16 in einen Schlitz 84 am ersten Ende 70 des Rings 60 ein. Der Halteclip 80 wird am Vorsprung 82 festgeschweißt. Der Halteclip 80 schränkt die Bewegung des ausgleichenden Rings 60 ein, indem er verhindert, dass der Ring 60 ins Schleudern gerät und sich vom Vorsprung 82 des Körpers 16 löst.
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Hinzu kommt, dass beim Einführen des Luftzugaberohrs durch den Durchgang 18 in den Körper 16 die Öffnung 34 im Körper 16 größer ist als das Endstück 68 des Luftzugaberohrs, wodurch ein Spalt 78 gebildet wird. Dass die Öffnung 34 größer als das Endstück 68 ist, liegt an der Wärmeausdehnung, die am Körper 16 auftritt, wenn der Brenner in Betrieb ist. Die Wärmeausdehnung verursacht außerdem, dass das Luftzugaberohr 33 je nach Betriebszustand des Brenners andere Positionen innerhalb der Öffnung 34 einnimmt. Im Kaltzustand nimmt das Luftzugaberohr eine bestimmte Position relativ zur Öffnung 34 ein, und unter Volllast nimmt das Luftzugaberohr eine andere Position relativ zur Öffnung 34 ein. Unter Volllast deckt sich die Mittellinie des Luftzugaberohrs 33 mit der Mittellinie der Öffnung 34. Im Kaltzustand verläuft die Mittellinie des Luftzugaberohrs 33 versetzt zur Mittellinie der Öffnung 34.
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Darüber hinaus dichtet der Ring den Spalt 78 ab, so dass die Luft 44 nicht anders in den Brenner einströmt als kontrolliert durch die Öffnungen 61. Da die Luft 62 durch die Öffnungen 61 im Ring 60 in einen Hohlraum 90 gelangt, wird außerdem ein Plenum erzeugt, das für die Zuführung der festen konzentrischen Verdünnungsströmung sorgt, welche die variable Bypass-Verdünnungsströmung umschließt. Das Plenum führt dem Spalt 78 (bzw. Ringraum) um die Außenseite des Luftzugaberohrs 33 einen einheitlichen, gesteuerten Luftstrom zu, der anschließend in Form eines ringförmigen Strahls in die Brennerströmung eingeblasen wird.
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Der Vorteil einer solchen Konfiguration des schwimmend angeordneten Rings 60 besteht darin, dass der schwimmend angeordnete Ring 60 eine kontrollierte Menge einer festen konzentrischen Verdünnungsströmung bereitstellt, die unabhängig von der Position des Luftzugaberohrs 33 zur Öffnung 34 um die variable Bypass-Strömung herum eingeblasen wird. Aufgrund des Vorhandenseins der festen konzentrischen Verdünnungsströmung wird für die Betätigung des Ventils 31 ein kleinerer Bewegungsbereich benötigt als es der Fall wäre, wenn die feste konzentrische Verdünnungsströmung Teil der das Ventil 31 passierenden Strömung ist. Das korrekt dimensionierte Ventil 31 kann daher mit höchster Genauigkeit betätigt werden, was eine Feineinstellung (bessere Steuerung) der variablen Bypass-Strömung ermöglicht. Durch die erleichterte Bereitstellung einer festen Menge einer Verdünnungsströmung mittels eines schwimmend angeordneten Rings 60 lässt sich die erforderliche Größe der Verteiler 26 und 32, der Bypassleitung 30 und des Ventils 31 reduzieren, da diese nur für die variable Strömung ausgelegt sein müssen. Die feste, konzentrische Verdünnungsströmung sorgt im Vergleich zur variablen Bypass-Strömung für mehr Konsistenz bei der Strahlvermischung mit der Brennerhauptströmung 63.
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In 6 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, in der Elemente aus der Brennerdarstellung in 1 durch die gleichen Referenznummern gekennzeichnet sind, wobei den Nummern die Ziffer ”1” vorangestellt ist. In dieser Ausführungsform umfasst der Brenner 110 eine Brennkammer oder Reaktionszone 114, in der die Hauptverbrennung stattfindet. Der Katalysator 27 und die MFP-Baugruppe 24 fehlen in dieser Ausführungsform. In dieser Ausführungsform strömt Verdichterabluft aus dem Ringraum 118 in den Verteiler 126 und vom Verteiler 126 über die Leitung 130 durch die Luftzugaberohre 133 und unter Umgehung der Brennkammer 114 in den Körper 116. Da der Katalysator und die MFP-Baugruppe fehlen, wird darüber hinaus die gesamte zur Vermischung mit der Verdichterabluft zugeführte Brennstoffmenge von der Baugruppe 112 zur Brennstoffeinspritzung eingespritzt. Es ist nachvollziehbar, dass die Brennkammer 114 nicht notwendigerweise in direkter Nähe der Baugruppe 112 zur Brennstoffeinspritzung angeordnet sein muss. Sie kann stattdessen im Körper 116 zwischen dem Endglied 143 und dem Verteiler 132 angeordnet sein. Gleichermaßen kann der Verteiler 132 zum Einblasen von Luft in den Körper 116 entsprechend entlang des Gehäuses 20 angeordnet sein, vorausgesetzt, die Brennkammer wird zur Dämpfung des Verbrennungsprozesses umgangen. An den Einblasrohren 133 des Brenners 110 kann der gleiche schwimmend angeordnete Ring 60 (siehe 2–5) angebracht sein.
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Folglich bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass sie die Wirksamkeit der katalytischen Reaktion maximiert und dadurch den Wirkungsgrad des Brenners erhöht. Die vorliegende Erfindung bietet ferner ein einfaches Mittel zum Steuern des Verbrennungsprozesses in einem nichtkatalytischen Brenner, indem sie in der Verbrennungszone eine Funktion zur Luftregelung bereitstellt, die unabhängig vom Betrieb der Maschine (Turbine) ist.
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Da die Erfindung außerdem unter Bezugnahme auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für den Fachmann nachvollziehbar, dass diverse Änderungen vorgenommen werden können und Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne dass der Geltungsbereich der Erfindung verlassen wird. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Darlegungen der Erfindung anzupassen, ohne dass deren Kerngeltungsbereich verlassen wird. Daher soll die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein, die als beste Form für die Ausführung der Erfindung erachtet und dargelegt wird, sondern alle Ausführungsformen enthalten, die im Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Darüber hinaus wird durch die Verwendung von Begriffen wie „erste”, „zweite” usw. weder ein Reihenfolge noch eine Rangfolge bezeichnet; die Begriffe wie „erste”, „zweite” usw. dienen stattdessen zur Unterscheidung der einzelnen Elemente.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brenner
- 11
- Vorbrennerbaugruppe
- 12
- Baugruppe zur Brennstoffeinspritzung
- 13
- Innenauskleidungsbaugruppe
- 14
- Brennkammer
- 16
- Körperbaugruppe
- 18
- Durchgang (Ringraum)
- 20
- Gehäuse
- 21
- Verschlussbaugruppe
- 22
- Bohrungen
- 23
- Flanschdeckel
- 24
- Baugruppe für die Brennstoffvormischung
- 25
- Öffnungen
- 26
- Verteiler
- 27
- Katalysator
- 28
- Ausgang
- 29
- Hauptbrennkammer
- 30
- Leitung
- 31
- Ventil
- 32
- Verteiler
- 33
- Lufzugaberohre
- 34
- Öffnungen
- 36
- Übergangsstück
- 38
- Einlassröhre
- 40
- Verdichter
- 42
- Einlassbereich
- 44
- Verdichterabluft
- 58
- Brennermittellinie
- 60
- Ring
- 61
- Öffnungen
- 62
- Vordefinierte Luftmenge
- 63
- Heißgaspfad
- 64
- Variable Luftmenge
- 66
- Zwischenraum
- 68
- Endstück
- 70
- Erstes Ende
- 72
- Zweites Ende
- 78
- Spalt
- 80
- Haltclip
- 82
- Vorsprung
- 84
- Schlitz
- 86
- Geneigter Abschnitt
- 88
- Gerader Abschnitt
- 90
- Hohlraum
- 110
- Brenner
- 112
- Baugruppe zur Brennstoffeinspritzung
- 114
- Brennkammer (Reaktionszone)
- 116
- Körper
- 118
- Ringraum
- 120
- Gehäuse
- 126
- Verteiler
- 130
- Leitung
- 132
- Verteiler
- 133
- Luftzugaberohre
- 143
- Endglied
