DE102006042124B4

DE102006042124B4 - Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE102006042124B4
Application number: DE102006042124A
Authority: DE
Inventors: Reiner Brinkmann; Holger Dr. Huitenga; Eric Newark Norster
Original assignee: MAN Turbo AG
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: CN101573560A; EP2059724A1; CA2662720A1; RU2009112629A; WO2008028621A1; US20100126174A1; DE102006042124A1; JP2010502928A

Abstract

Brennkammer (1) mit einem Flammrohr (3), das in Strömungsrichtung eine Mischzone (15) zum Mischen eines Brennstoffes mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch, sowie eine primäre Verbrennungszone (17) und eine nachprimäre Verbrennungszone (18) aufweist, wobei zur Mischzone (15) mindestens eine Öffnung (6) und zur nachprimären Verbrennungszone (18) mindestens eine Mischöffnung (5) vorgesehen ist, um komprimierte Luft in das Flammrohr (3) zu leiten, wobei die komprimierte Luft zur Kühlung des Flammrohrs (3) dient und über die Öffnungen (6) zur Mischzone (15) und die Mischöffnungen (5) zur nachprimären Verbrennungszone (18) anteilig in die Mischzone (15) und die nachprimäre Verbrennungszone (18) gelangt, wobei die der Brennkammer (1) zugeführte komprimierte Luft vollständig für die Kühlung des Flammrohrs (3) vorgesehen ist und in einen Strömungsanteil (11) zur Öffnung (6) zu der Mischzone (15) und einen Strömungsanteil (12) zur Mischöffnung (5) zu der nachprimären Verbrennungszone (18) geteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss durch die Mischöffnung (5) zur...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer, die insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbine vorgesehen ist. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung die Luftführung der komprimierten Luft, die der Brennkammer zugeführt wird.
Der typische Aufbau einer Gasturbine, bestehend aus einem Verdichterbereich, einem Brennkammerbereich und einem Turbinenbereich ist hinlänglich bekannt und wird nachstehend nicht näher erläutert. Die komprimierte Luft, die der Brennkammer zugeführt wird, wird in den Verbrennungsprozess in ein Flammrohr eingebracht und auch zum Kühlen der Brennkammer verwendet. Durch gesetzliche Vorgaben vorangetrieben, ist es ein Bestreben von Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Gasturbinen, den Schadstoffausstoß von Gasturbinen fortwährend zu reduzieren. Im Mittelpunkt stehen dabei die Schadstoffe NOx, CO2 und CO sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Die Schadstoffe beim Verbrennungsvorgang in einer Gasturbine können beispielsweise durch eine magere Mischung des Brennstoff-Luft-Gemisches, d. h. mehr komprimierte Luft muss dem Brennstoff-Luft-Gemisch beigemengt werden, oder durch optimale Temperaturverteilung im Flammrohr erreicht werden.
Vor dem Hintergrund der Wirtschaftlichkeit ist es wünschenswert, den Wirkungsgrad von Gasturbinen z. B. durch höhere Temperaturen zu steigern. Die Materialtechnik zeigt dabei dem Turbomaschinenbau die Grenzen auf, so dass eine Kühlung der Bauteile der Brennkammer für das Erreichen hoher Temperaturen während des Verbrennungsvorgangs eine im Stand der Technik verbreitete Maßnahme ist.
Die EP 0 732 546 B1 offenbart einen Aufbau aus dem Stand der Technik, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Die komprimierte Luft, die der Brennkammer aus dem Kompressorbereich der Gasturbine zugeführt wird, wird in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein Teilstrom dient der Verbrennung im Flammrohr, ein weiterer der Kühlung der Außenwandung der Brennkammer, wobei die Kühlluft anschließend in die nachprimäre Verbrennungszone eintritt.
Nachteilig an diesem Aufbau ist, dass nur ein vorher festgelegter Anteil des komprimierten Luftstroms für die Kühlung bereitsteht. Das heißt, je schadstoffärmer eine Gasturbine ausgelegt wird, desto weniger Kühlluft steht zur Verfügung. Folglich muss der Wirkungsgrad der Gasturbine zu Gunsten des geringeren Schadstoffausstoßes gering bleiben.
Ein weiteres Dokument des Standes der Technik, nämlich EP 0 896 193 B1 , versucht den geschilderten Nachteilen dadurch zu begegnen, dass die zur Kühlung verwendete komprimierte Luft anschließend der Verbrennung über eine Mischzone zugeführt wird. Die Kühlluft muss dazu von der stromabwärtigen Seite der Brennkammer die gesamte Wandung des Flammrohres entlang strömen. Die Kühlleistung dieser Kühlungsart ist somit vergleichsweise gering.
Somit weist der Stand der Technik gemäss EP 0 896 193 B1 den Nachteil auf, dass keine direkte Kühlung im Flammrohrinnern durch Öffnungen in der Wandung im Bereich der nachprimären Verbrennungszone bzw. Sekundärzone vorgesehen werden kann. Dieser Stand der Technik erzielt somit keine optimale Kühlleistung und ist in der Betriebsweise der Gasturbine eingeschränkt.
Aus der WO 99/64791 A1 und der DE 25 39 993 A1 ist eine Brennkammer mit einem Flammrohr bekannt, das in Strömungsrichtung eine Mischzone zum Mischen eines Brennstoffes mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch sowie eine primäre und eine nachprimäre Verbrennungszone aufweist, wobei zur Mischzone und zur nachprimären Verbrennungszone mindestens eine Öffnung vorgesehen ist, um komprimierte Luft in das Flammrohr zu leiten, wobei die komprimierte Luft vollständig zur Kühlung des Flammrohres dient und über die Öffnungen anteilig in die Mischzone und in die nachprimäre Verbrennungszone gelangt.
Aus der EP 0 732 546 A1 und der US 6,314,716 B1 ist eine Prallkühlung der Luft bekannt, die zur Kühlung des Flammrohres vorgesehen ist und durch Öffnungen der nachprimären Verbrennungszone zugeführt wird.
Unter Berücksichtigung des dargestellten Standes der Technik ist es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer einer Gasturbine und eine Gasturbine bereitzustellen, die sowohl hohen Umweltstandards gerecht wird, als auch einen verbesserten Wirkungsgrad erzielt.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche der Erfindung gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Erfindung sieht eine Brennkammer für eine Gasturbine vor. Das Flammrohr der Brennkammer ist in Strömungsrichtung zumindest in eine Mischzone zum Mischen eines Brennstoffes mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch, sowie eine primäre Verbrennungszone oder auch Primärzone und eine nachprimäre Verbrennungszone oder auch Sekundärzone unterteilt. Im Bereich der Mischzone, die in der Umgebung des Brenners ausgebildet ist, ist mindestens eine Öffnung in der Regel über Kanäle des Brenners ins Innere des Flammrohres vorgesehen. Im Bereich der nachprimären Verbrennungszone ist ebenso mindestens eine Öffnung, die so genannte Mischöffnung, vorgesehen. Diese mindestens eine Öffnung bzw. Mischöffnung dient dazu, den Verbrennungsvorgang abzukühlen. Über die genannten Öffnungen gelangt komprimierte Luft, die zuvor im Verdichtungsbereich der Gasturbine verdichtet wird, in das Flammrohr. Die komprimierte Luft ist für die Kühlung des Flammrohrs vorgesehen und gelangt über die beschriebenen Öffnungen anteilig in die Mischzone und in die nachprimäre Verbrennungszone.
Durch die Kühlung des Flammrohrs mit der Luft, die anschließend der Verbrennung zugeführt wird, gelangt die Luft für die Verbrennung mit einer höheren Temperatur in den Brenner der Brennkammer. Da die Verbrennungstemperatur auf diese Weise angehoben wird, kann die Gasturbine mit weniger Brennstoff betrieben werden und erreicht trotzdem die gleiche Temperatur. Diese Maßnahme erhöht somit den Wirkungsgrad der Gasturbine. Die neue Anordnung ermöglicht ferner, dass auch die Verbrennungsgase in der nachprimären Verbrennungszone gekühlt werden können. Darüber hinaus kann die Zufuhr von Luft zum Verbrennungsprozess variabel gestaltet werden, da theoretisch die gesamte komprimierte Luft dem Verbrennungsprozess zugeführt werden könnte.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Ausführungsform näher erläutert, wobei zur Illustration eine Zeichnung dient.
Die Figur zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Brennkammer.
Bezugszeichen 1 zeigt eine Brennkammer gemäß der Ausführungsform mit einem Flammrohr 3 und einem radial außerhalb des Flammrohrs 3 angeordnetem Prallgitter 2. Die Brennkammer 1 ist Bestandteil einer Gasturbine (nicht dargestellt), die mit Gas- und/oder Flüssigbrennstoff betrieben wird. Das Flammrohr 3 ist weitge hend zylindrisch ausgebildet. Über einen Verdichterluftkanal strömt komprimierte Luft auf das Prallgitter 2. Durch die Öffnungen 4 des Prallgitters 2 wird die komprimierte Luft, die aus einem Verdichter, bzw. aus dem Verdichterbereich der Gasturbine zur Brennkammer 1 strömt, in zahlreiche Einzelströmungen 10 unterteilt.
Vorzugsweise sind die Öffnungen 4 des Prallgitters 2 als Düsen ausgebildet, so dass die anströmende komprimierte Luft strahlförmig auftrifft. Die Anordnung und Geometrie der Öffnungen 4 des Prallgitters 2 kann derart angepasst werden, dass die gewünschte Kühlleistung an der Oberfläche des Flammrohrs 3 erzielt wird. Darüber hinaus ist die Aufteilung der Aufprallkühlung in den Strömungsanteil Brenner 11 und den Strömungsanteil Mischöffnung 12 regelbar gestaltet. In dieser Ausführungsform wird dies erreicht, indem die Geometrie der Mischöffnungen 5 zur nachprimären Verbrennungszone 18 während des Betriebs veränderbar ist. Durch die Kühlung des Flammrohres 3 wird die Lebensdauer der verwendeten Maschinenelemente erhöht und gleichzeitig wird die Luft des Strömungsanteils Brenner 11, 13 und des Strömungsanteils Mischöffnung 12 erwärmt.
Das Prallgitter 2 ist in dieser Ausführungsform als Lochblech ausgebildet, das das Flammrohr 3 in Umfangsrichtung umschließt. Da die komprimierte Luft nicht nur entlang der Außenwand des Flammrohres 3 vorbeigeführt wird, sondern mit erhöhter Geschwindigkeit, vorzugsweise durch die Düsenwirkung der Öffnungen 4 des Prallgitters 2 ausgelöst, in zahlreiche Einzelströmungen 10 unterteilt auf die Außenfläche des Flammrohres 3 auftrifft, ist die Kühlleistung merklich erhöht. Obwohl die Figur eine senkrecht auf das Flammrohr 3 strömende Prallkühlluft zeigt, kann die auf das Flammrohr 3 gerichtete Strömung komprimierter Luft beispielsweise auch winkelig, d. h. nicht senkrecht auf das Flammrohr 3 auftreffen. Dazu kann vorzugsweise im Verdichterluftkanal eine Vorrichtung zum Aufteilen der auf das Flammrohr 3 gerichteten Strömung komprimierter Luft vorgesehen werden.
Ferner ist diese Ausführungsform der Erfindung auch dahingehend offen zu verstehen, in welchen Zonen des Flammrohrs 3 durch Prallluft gekühlt wird. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der sowohl die vor- als auch die nachprimäre Verbrennungszone 16, 18 durch Prallluft mitgekühlt wird. Möglich ist beispielsweise auch lediglich den Bereich der primären Verbrennungszone 17 zu kühlen.
Dennoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Prallkühlung mit weitgehend senkrecht oder winkelig auf das Flammrohr 3 auftreffenden Einzelströmungen 10 eingeschränkt. Vielmehr kann auch eine laminare Strömung entlang der Außenwand des Flammrohrs 3 die gewünschte Kühlleistung erbringen. Erfindungswesentlich ist in erster Linie, dass die zur Kühlung verwendete Luft sowohl über die Mischöffnungen 5 als auch über die Öffnungen 6 in das Flammrohr 3 gelangt. Darüber hinaus ist auch eine Kombination aus den geschilderten Strömungsarten für die Kühlung des Flammrohrs 3 sowie eine Unterstützung durch andere dem Fachmann geläufige Kühlmethoden denkbar.
Die derart vorgewärmte Luft gelangt über die Öffnungen 6 in den Brenner 7. Dort wird die Luft mit dem Brennstoff, der im Wesentlichen entlang der Brennstoffströmung strömt, vorgemischt. Da die Temperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches auf Grund der vorgewärmten, für die Kühlung des Flammrohres 3 verwendeten Luft im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoff-Luft-Gemischen erhöht ist, kann die Gasturbine mit verringertem Brennstoffeinsatz die gleiche Temperatur erreichen wie aus dem Stand der Technik bekannte Gasturbinen.
Gemäß der Ausführungsform wird die zugeführte komprimierte Luft im Wesentlichen vollständig für die Kühlung des Flammrohrs 3 verwendet und in einen Strömungsanteil Brenner 11, 13 zur Öffnung 6 zur Mischzone 15 und einen Strömungsanteil Mischöffnung 12 zur Mischöffnung 5 der nachprimären Verbrennungszone 18 geteilt. Die Mischöffnungsströmung 14 fließt dann über mehrere Mischöffnungen 5 im Wesentlichen senkrecht zur Brennstoffströmung 8 in das Flammrohr 3. Somit wird eine verbesserte Kühlleistung erreicht. Der Durchfluss kann durch die Mischöffnungen 5 und/oder durch die Öffnung 6 zur Mischzone 15 steuer- bzw. regelbar ausgeführt sein. Dies kann beispielsweise durch eine Änderung des Durchflussquerschnitts durch besagte Öffnungen 5, 6, aber auch durch alle weiteren dem Fachmann bekannten Maßnahmen erfolgen.

1: Brennkammer
2: Prallgitter
3: Flammrohr
4: Öffnung des Prallgitters
5: Mischöffnung
6: Öffnung
7: Brenner
8: Brennstoffströmung
10: Einzelströmung
11: Strömungsanteil Brenner
12: Strömungsanteil Mischöffnung
13: Strömungsanteil Brenner
14: Mischöffnungsströmung
15: Mischzone
16: vorprimäre Verbrennungszone
17: primäre Verbrennungszone
18: nachprimäre Verbrennungszone
19: Übergangszone

Claims

Brennkammer (1) mit einem Flammrohr (3), das in Strömungsrichtung eine Mischzone (15) zum Mischen eines Brennstoffes mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch, sowie eine primäre Verbrennungszone (17) und eine nachprimäre Verbrennungszone (18) aufweist, wobei zur Mischzone (15) mindestens eine Öffnung (6) und zur nachprimären Verbrennungszone (18) mindestens eine Mischöffnung (5) vorgesehen ist, um komprimierte Luft in das Flammrohr (3) zu leiten, wobei die komprimierte Luft zur Kühlung des Flammrohrs (3) dient und über die Öffnungen (6) zur Mischzone (15) und die Mischöffnungen (5) zur nachprimären Verbrennungszone (18) anteilig in die Mischzone (15) und die nachprimäre Verbrennungszone (18) gelangt, wobei die der Brennkammer (1) zugeführte komprimierte Luft vollständig für die Kühlung des Flammrohrs (3) vorgesehen ist und in einen Strömungsanteil (11) zur Öffnung (6) zu der Mischzone (15) und einen Strömungsanteil (12) zur Mischöffnung (5) zu der nachprimären Verbrennungszone (18) geteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss durch die Mischöffnung (5) zur nachprimären Verbrennungszone (18) steuer- oder regelbar ist.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung bzw. Regelung des Durchflusses durch die Änderung eines Durchflussquerschnitts der Öffnung (5) zur nachprimären Verbrennungszone (18) erfolgt.
Brennkammer nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer mit Gas- und/oder Flüssigbrennstoff betrieben wird.
Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des Flammrohrs (3) durch Prallkühlung auf der Außenfläche des Flammrohrs (3) erfolgt, wobei radial außerhalb des Flammrohrs (3) eine Prallgitter (2) vorgesehen ist, um die komprimierte Luft in Einzelströmungen zu zerlegen.
Brennkammer (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallgitter (2) als ein Lochblech ausgebildet ist, das das Flammrohr (3) in Umfangsrichtung umschließt.
Brennkammer (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher des Lochblechs als Düsen ausgebildet sind.
Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallgitter lediglich die primären Verbrennungszone (17) oder die primäre Verbrennungszone (17) und die nachprimäre Verbrennungszone (18) abdeckt.
Gasturbine mit einer Brennkammer (1) nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die komprimierte Luft über den Verdichterbereich der Gasturbine und geeignete Verbindungselemente zwischen Verdichterbereich und Brennkammer bereitgestellt wird.