DE102008002931A1

DE102008002931A1 - Vorrichtung/Verfahren zur Kühlung einer Brennkammer/Venturi-Düse in einem Brenner mit niedrigen NOx-Emissionen

Info

Publication number: DE102008002931A1
Application number: DE102008002931A
Authority: DE
Inventors: Derrick Walter Simons; William Kirk Hessler; Neal Grooms; Jeffrey Scott Lebegue
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2009-01-22
Also published as: CN101349425A; CH697709B1; JP2009019869A; US20090019854A1; CN101349425B; CH697709A2

Abstract

Ein Brenner (30) zur Verbrennung mit niedrigen Stickstoffmonoxid (NOx)-Trockenemissionen weist eine Vormischkammer (36) zum Mischen von Brennstoff (31) und Kühlgas und eine stromabwärts der Vormischkammer (36) positionierte Brennkammer (32) zur Verbrennung des vorgemischten Brennstoffs und Kühlgases auf. Der Brenner (30) weist ferner eine Venturi-Düse (46) mit im Allgemeinen ringförmigen Wänden auf, die konvergierende (41) und divergierende (43) Wandbereiche aufweisen, die zwischen der Vormischkammer (36) und der Brennkammer (32) positioniert sind und einen verengten Bereich definieren, durch den der mit der Luft vorgemischte Brennstoff zu der Brennkammer (32) strömt. Die Wände definieren einen Kanal (44) für den Kühlgasstrom, der sich in Axialrichtung an der Brennkammer (36) entlang erstreckt und einen Ausgang (64) aufweist, um Kühlgas zur Brennkammer (32) strömen zu lassen. Mehrere Einlasse (56) an den konvergierenden (41) und divergierenden (43) Wandbereichen nehmen zur Erzeugung eines Prallkühlungseffekts Kühlgas in den Kanal (44) auf. Mehrere stromabwärts der Einlasse (56) angeordnete Turbulatoren (62) interagieren mit dem Kühlgas, um einen Turbulenzkühlungseffekt zu erzeugen. Die Verbrennung im Brenner (30) kann auf effektive Weise über einen breiten Temperaturbereich erfolgen, um die NOx-Emissionen des Brenners (30) zu reduzieren.

Description

HINTERGRUND
Diese Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Reduzierung von Stickstoffmonoxid (NOx)-Emissionen in einem Gasturbinen-Verbrennungssystem. Insbesondere betrifft diese Erfindung die Vorrichtung, die dazu dient, durch Kühlung der Brennkammer/Venturi-Düse die Stickstoffmonoxidemissionen zu senken.
Es ist allgemein bekannt, dass die Turbinentemperatur den Wirkungsgrad einer Gasturbine beeinflusst. Dadurch verstärkt sich die Tendenz zur Nutzung höherer Temperaturen, was zu einem Anstieg der Wärmelast in der Turbine sowie zu höheren NOx-Emissionen führt. Es ist außerdem allgemein bekannt, dass die NOx-Emissionen exponentiell zunehmen, wenn die Einlasstemperaturen des Brenners steigen. Diese auf die Turbinenkomponenten wirkende Wärmelast wird von deren äußerst intensiven Kontakt mit dem Wärmefluss des aus der Brennkammer kommenden Brennstoff-Luft-Gemischs verursacht.
Gesetzliche Emissionsbestimmungen haben in den letzten Jahren verstärkt den Schadstoffausstoß von Gasturbinen betroffen. Stickstoffmonoxid wurde als ein zur Luftverschmutzung beitragender Faktor zu einem besonderen Problem.
Die US-Patentanmeldung 5,117,636 handelt von einer Vorrichtung zur Kühlung der Brennkammer und der Venturi-Düsenwände. Zur Kühlung der Venturi-Düsenwände nutzt die Vorrichtung verdichtete Luft aus einem einzigen Einlass, die dann in die stromabwärtige Richtung in die Brennkammer strömt. Es wurde festgestellt, dass zur Aufrechterhaltung des Brennerwirkungsgrads die gekühlte Luft in einem angemessenen Abstand zu der Venturi-Düsenverengung abgegeben werden muss. Andernfalls strömt die Kühlluft als so genannter Rückstrom stromaufwärts in die Brennkammer, was eine stabile Flamme beeinträchtigt.
Die US-Patentanmeldung 6,446,438 handelt ebenfalls von einer Vorrichtung zur Kühlung der Brennkammer und der Venturi-Düsenwände. In diesem Fall nutzt die Vorrichtung jedoch einen stromaufwärtigen Strom, der gekühlte Luft in die Vormischkammer umleitet, so dass keine Luft in die Brennkammer abgegeben wird.
Dieser Erfindung ist es ein Anliegen, die Kühlung der Brennkammer einschließlich der Venturi-Düsenwände zu verbessern und gleichzeitig die Stickstoffmonoxidemissionen zu reduzieren.
KURZBESCHREIBUNG
Es wird ein Brenner zur Verbrennung mit niedrigen Stickstoffmonoxid (NOx)-Trockenemissionen vorgestellt, der eine Vormischkammer zum Mischen von Brennstoff und Kühlgas und eine stromabwärts der Vormischkammer positionierte Brennkammer zur Verbrennung des vorgemischten Brennstoffs und Kühlgases aufweist. Der Brenner weist ferner eine Venturi-Düse mit im Wesentlichen ringförmigen Wänden auf, die konvergierende und divergierende Wandbereiche aufweisen, die zwischen der Vormischkammer und der Brennkammer positioniert sind und einen verengten Bereich definieren, durch den der mit der Luft vorgemischte Brennstoff zu der Brennkammer strömt. Die Wände definieren einen Kanal für den Kühlgasstrom, der sich in Axialrichtung an der Brennkammer entlang erstreckt und einen Ausgang aufweist, um Kühlgas zur Brennkammer strömen zu lassen. Mehrere Einlasse an den konvergierenden und divergierenden Wandbereichen nehmen zur Erzeugung eines Prallkühlungseffekts Kühlgas in den Kanal auf. Mehrere stromabwärts der Einlasse angeordnete Turbulatoren interagieren mit dem Kühlgas, um einen Turbulenzkühlungseffekt zu erzeugen. Die Verbrennung im Brenner kann auf effektive Weise über einen breiten Temperaturbereich erfolgen, um die NOx-Emissionen des Brenners zu reduzieren.
Es wird zudem ein Verfahren der Trockenverbrennung in einem Brenner mit niedrigen Stickstoffmonoxid (Nox)-Emissionen vorgestellt, das das Vormischen von Brennstoff und Kühlgas und das Einengen des Brennstoff- und Kühlgasstroms einschließt. Das Verfahren schließt ferner eine Prallkühlung mit dem Kühlgas und eine Turbulenzkühlung mit dem Kühlgas ein. Das Verfahren schließt ferner das Verbrennen vorgemischten Brennstoffs und Kühlgases über einen breiten Temperaturbereich mit reduzierten NOx-Emissionen ein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Querschnitts durch ein dem Stand der Technik entsprechendes Gasturbinen-Brennersystem;
2 ist eine vereinfachte Darstellung eines Querschnitts durch ein Gasturbinen-Brennersystem einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 ist ein Querschnitt durch einen vorderen integrierenden Ring des Gasturbinen-Brennersystems aus 2.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt allgemein einen vorhandenen Gasturbinenbrenner 10. Der Brenner 10 weist eine Venturi-Düse 12, eine ringförmige Vormischkammer 14 zum Vormischen von Luft und Brennstoff und eine Brennkammer 16 auf. Ein Turboverdichter (nicht dargestellt) leitet einen Luftstrom in die Vormischkammer 14, die dann nach dem Zuführen von Brennstoff ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt. Brennstoff 11 wird durch einen Durchflussmengenregler 13 einer oder mehreren Brennstoffdüsen 15 zugeführt. Luft wird durch eine oder mehrere Eingangsöffnungen 17 eingeführt. Die im Allgemeinen eine zylindrische Form aufweisende Brennkammer 16 ist um eine Brennermittellinie 19 angeordnet und wird von einer Wand 21 und einer übergeordneten Trennwand oder Wand 23 eingeschlossen. Das Brennstoff-Luft-Gemisch strömt, wie durch die Pfeile 25 angezeigt, in einer stromabwärtigen Richtung zu der Brennkammer 16. Dort wird der Strom des Brennstoff-Luft-Gemischs von den konvergierenden/divergierenden Wänden 27 und 29 eingeengt, die einen Konus mit einem Konuswinkel von ungefähr 112,5 Grad definieren. Diese Einengung bewirkt, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch beschleunigt in die Brennkammer 16 strömt, wo es verbrennt, wodurch enorme Wärmeflussmengen an der Venturi-Düse 12 erzeugt werden. Der Turboverdichter (nicht dargestellt) leitet die Kühlluft durch den Einlass 24 zwischen die obere Wand 18 und die untere Wand 20 in den Kanal 22, was zu einer rückseitigen Prallkühlung führt. Anschließend strömt die Kühlluft stromabwärts durch den Kanal 22 der Venturi-Düse und kühlt dabei die Wände des Kanals 22. Die Kühlluft tritt entlang der Brennkammerwand durch die Austrittsöffnung 26 aus. Anschließend wird die Luft in dem Kühlungs- und Verbrennungsprozess innerhalb der Brennkammer 16 genutzt.
2 zeigt bei 30 allgemein einen Gasturbinenbrenner einer Ausführungsform der Erfindung. Der Gasturbinenbrenner 30 weist allgemein eine Brennkammer 32, Brennstoffdüsen 34 (bei einigen Gasturbinen kommen, wie hier dargestellt, mehrere Düsen in jedem Brenner zum Einsatz), eine ringförmige Vormischkammer 36 und eine Venturi-Düse 46 auf. Ein Turboverdichter (nicht dargestellt) leitet einen Luftstrom in die Vormischkammer 36, die dann nach dem Zuführen von Brennstoff ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt. Brennstoff 31 wird durch einen Durchflussmengenregler 33 den Brennstoffdüsen 34 zugeführt. Luft wird durch eine oder mehrere Eingangsöffnungen 48 eingeführt. Die im Wesentlichen eine zylindrische Form aufweisende Brennkammer 32 ist um eine Brennermittellinie 35 herum angeordnet und wird von einer Wand 37 und einer übergeordneten Trennwand oder Wand 38 eingeschlossen. Die im Wesentlichen zylindrische übergeordnete Trennwand 38 umfasst eine obere Wand 40 und eine untere Wand 42, die die Brennkammer 32 definieren. Der radiale Raum zwischen der oberen Wand 40 und der unteren Wand 42 definiert einen Luftstromkanal oder Kanal 44.
Das Brennstoff-Luft-Gemisch strömt, wie durch die Pfeile 39 angezeigt, in eine stromabwärtige Richtung zu der Brennkammer 32. Dort wird der Strom des Brennstoff-Luft-Gemischs von den konvergierenden/divergierenden Wänden 41 und 43 eingeengt, die einen Konus mit einem Konuswinkel von ungefähr 67,5 Grad bilden. Allerdings wird angenommen, dass ein Konuswinkel in einem Bereich von ungefähr 60 Grad bis ungefähr 90 Grad die Vorteile der Erfindung, d. h. gute Leistung und adäquate Kühlung, erbringt und im Geltungsbereich der Erfindung liegt. Der mit der Luft vorgemischte Brennstoff wird dann stromabwärts in die Brennkammer 32 geleitet. Die von der Venturi-Düse 46 hervorgerufene Strömungsverengung bewirkt auf der Grundlage des Gesetzes von Bernoulli eine Beschleunigung des Gemischs, wenn dieses an der konvergierenden Wand entlangströmt, wobei eine Erhöhung der Geschwindigkeit mit einer Abnahme des Drucks einhergeht. Da dies entsprechend bewirkt, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch beschleunigt in die Brennkammer 32 strömt, in der es verbrennt, wird an der Venturi-Düse 46 ein Wärmefluss erheblicher Größe erzeugt, deren Kühlung wünschenswert ist.
Die Venturi-Düse 46 bietet mehrere Mittel zur Kühlung. Ein Mittel zur Kühlung schließt die rückseitige Prallkühlung ein, bei welcher der Turboverdichter (nicht dargestellt) die Kühlluft (verdichtete Luft) durch mehrere Einlasse oder Öffnungen 56 zwischen die obere Wand 40 und die untere Wand 42 in den Kanal 44 leitet. Die Einlässe 56 sind an der oberen Wand 40 der übergeordneten Trennwand 38 ausgerichtet und an den konvergierenden und divergierenden Wänden der Venturi-Düse 46 konzentriert. Die Kühlluft strömt dann stromabwärts durch den Kanal 44 der Venturi-Düse zu einem Turbulenzkühlungsbereich 58.
Der Turbulenzkühlungsbereich 58 ist verengt, wodurch die obere Wand 40 nach innen konvergiert. Zur Aufrechterhaltung dieser Form sind Haltestreifen 60 am Eingang und Ausgang des Turbulenzkühlungsbereichs 58 angeordnet. Innerhalb des Turbulenzkühlungsbereichs 58 sind Turbulatoren 62 in Längsrichtung äquidistant entlang der unteren Wand 42 angeordnet und innerhalb des Venturi-Kanals 44 nach innen zur oberen Wand 40 ausgerichtet. Die Turbulatoren 62 verstärken den Kontakt zwischen der Kühlluft und dem Metall der oberen Wand 40 und der unteren Wand 42, und sorgen dadurch für einen besseren turbulenzbedingten Wärmeaustausch.
Die Kühlluft aus dem Turbulenzkühlungsbereich 58 strömt dann durch den Kanal 44 zu der Austrittsöffnung 64. Die Austrittsöffnung 64 gibt die Kühlluft dann in die Brennkammer 32 ab, in der sie die Erzeugung einer stabilen Flamme im Verbren nungsprozess unterstützt und der Brennkammer 32 Kühlung zuführt.
In 3 wird ein vorderer integrierender Ring 50 eingeführt, der die thermischen Beanspruchungen am vorderen inneren Konusverbindungspunkt im Kanal 44 reduzieren und gleichzeitig ein effizientes Kühlmuster aufrechterhalten soll. Durch den vorderen integrierenden Ring 50 ist auch für eine leckagefreie Verbindung gesorgt. Der vordere integrierende Ring 50 weist einen Festkörper 52 und eine abgewinkelte Rippe 54 auf, die ein kleines Segment des Kanals 44 abschirmt, das eine begrenzte Kühlungsmenge aufnimmt, und trägt dadurch zur Emissionsreduzierung bei. Die Rippe 54 erstreckt sich in Axialrichtung von dem Festkörper 52 weg und deckt einen ausreichenden Teil des Kanals 44 ab, um die thermischen Beanspruchungen zu reduzieren.
Diese verbesserten, zuvor erwähnten Mittel zur Kühlung der Luft im Brenner 30 reduzieren NOx-Emissionen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer stabilen Flamme. Die Beseitigung von Leckpfaden durch die Einführung des vorderen integrierenden Rings 50 und die Integration der Venturi-Düse 46 in die übergeordnete Trennwand 38 unterstützen ferner erheblich die zuvor erwähnten Mittel zur Regelung der Strömungsvariation. Darüber hinaus unterstützt auch ein Konuswinkel der Venturi-Düse von ungefähr 67,5 Grad die Kühlung, ohne dass dies zu Lasten von Leistung geht. Der Anwendung verschiedener Kühlungsmittel, d. h. Prall- und Turbulenzkühlung, konserviert Kühlluft. Eine Reduzierung der NOx-Emissionen unterstützt die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, können an diesen verschiedene Modifizierungen und Ersetzungen vorgenommen werden, ohne dass vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung abgewichen wird. Es versteht sich daher, dass die vorliegende Erfindung veranschaulichend und nicht einschränkend beschrieben wurde.
Ein Brenner 30 zur Verbrennung mit niedrigen Stickstoffmonoxid NOx-Trockenemissionen weist eine Vormischkammer 36 zum Mischen von Brennstoff 31 und Kühlgas und eine stromabwärts der Vormischkammer 36 positionierte Brennkammer 32 zur Verbrennung des vorgemischten Brennstoffs und Kühlgases auf. Der Brenner 30 weist ferner eine Venturi-Düse 46 mit im Allgemeinen ringförmigen Wänden auf, die konvergierende 41 und divergierende 43 Wandbereiche aufweisen, die zwischen der Vormischkammer 36 und der Brennkammer 32 positioniert sind und einen verengten Bereich definieren, durch den der mit der Luft vorgemischte Brennstoff zu der Brennkammer 32 strömt. Die Wände definieren einen Kanal 44 für den Kühlgasstrom, der sich in Axialrichtung an der Brennkammer 36 entlang erstreckt und einen Ausgang 64 aufweist, um Kühlgas zur Brennkammer 32 strömen zu lassen. Mehrere Einlasse 56 an den konvergierenden 41 und divergierenden 43 Wandbereichen nehmen zur Erzeugung eines Prallkühlungseffekts Kühlgas in den Kanal 44 auf. Mehrere stromabwärts der Einlasse 56 angeordnete Turbulatoren 62 interagieren mit dem Kühlgas, um einen Turbulenzkühlungseffekt zu erzeugen. Die Verbrennung im Brenner 30 kann auf effektive Weise über einen breiten Temperaturbereich erfolgen, um die NOx-Emissionen des Brenners 30 zu reduzieren.

10, 30: Brenner
11, 31: Brennstoff
12, 46: Venturi-Düse
13, 33: Durchflussmengenregler
14, 36: Vormischkammer
15, 34: Brennstoffdüse
16, 32: Brennkammer
17, 48: Eingangsöffnungen
18, 40: Obere Wand
19, 35: Mittellinie
20, 42: Untere Wand
21, 37: Außenwand
22, 44: Luftstromkanal
23, 38: Übergeordnete Wand
24, 56: Einlass
25, 39: Richtungspfeile
26, 64: Austrittsöffnung
27, 41: Konvergierende Wand
29, 43: Divergierende Wand
58: Turbulenzkühlungsbereich
60: Haltestreifen
62: Turbulatoren
50: Vorderer integrierender Ring
52: Festkörper des integrierenden Rings
54: Abgewinkelte Rippe des integrierenden Rings

Claims

Brenner (30) zur Verbrennung mit niedrigen Stickstoffmonoxid (NOx)-Emissionen, der Folgendes umfasst: eine Vormischkammer (36) zum Mischen von Brennstoff (11) und Kühlgas; eine stromabwärts der Vormischkammer (36) positionierte Brennkammer (32) zur Verbrennung des vorgemischten Brennstoffs und Kühlgases; und eine Venturi-Düse (46) mit im Wesentlichen ringförmigen Wänden, die konvergierende (41) und divergierende (43) Wandbereiche aufweisen, die zwischen der Vormischkammer (36) und der Brennkammer (32) positioniert sind und einen verengten Bereich definieren, durch den der mit der Luft vorgemischte Brennstoff zu der Brennkammer (32) strömt, wobei die Wände einen sich in Axialrichtung entlang der Brennkammer (32) erstreckenden Kanal (44) für den Kühlgasstrom definieren und einen Ausgang aufweisen, um Kühlgas zur Brennkammer (32) strömen zu lassen, mehrere Einlasse (56) an den konvergierenden (41) und divergierenden (43) Wandbereichen, die zur Erzeugung eines Prallkühlungseffekts Kühlgas in den Kanal (44) aufnehmen, und mehrere stromabwärts der Einlasse (56) angeordnete Turbulatoren (62), die zur Erzeugung eines Turbulenzkühlungseffekts mit dem Kühlgas interagieren; wobei die Verbrennung im Brenner (30) auf effektive Weise über einen breiten Temperaturbereich erfolgen kann, um die NOx-Emissionen des Brenners (30) zu reduzieren.
Brenner (30) nach Anspruch 1, wobei die konvergierenden (41) und divergierenden (43) Wandbereiche einen Konuswinkel zwischen ungefähr 60 Grad und ungefähr 90 Grad definieren.
Brenner (30) nach Anspruch 2, wobei der Konuswinkel ungefähr 67,5 Grad beträgt.
Brenner (30) nach Anspruch 1, wobei die Venturi-Düse (46) ferner einen vorderen zusammenfassenden Ring (50) mit einem Festkörper (52) und einer Rippe (54) aufweist.
Brenner (30) nach Anspruch 4, wobei sich die Rippe (54) in Axialrichtung von dem Festkörper (52) des vorderen zusammenfassenden Rings (50) weg erstreckt.
Brenner (30) nach Anspruch 1, wobei die Venturi-Düse (46) in eine übergeordnete Trennwand (38) des Brenners (30) integriert ist.
Brenner (30) nach Anspruch 1, wobei der Kanal (44) an der Stelle einen verkleinerten Durchmesser aufweist, an der die Turbulatoren (62) angeordnet sind.