DE102009043829B4

DE102009043829B4 - Mehrfachrohr-Vormischvorrichtung

Info

Publication number: DE102009043829B4
Application number: DE102009043829.7A
Authority: DE
Inventors: Jong Ho Uhm; Balachandar Varatharajan; Willy Steve Ziminsky; Gilbert O. Kraemer; Ertan Yilmaz; Benjamin Paul Lacy; Christian Stevenson; David Felling
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2029-08-22
Also published as: CN101725985A; US8327642B2; JP5537863B2; DE102009043829A1; JP2010101612A; US20100095676A1; US8505302B2; CH699758B1; US20130067926A1; CN101725985B; CH699758A2

Abstract

Vormischer (100, 210) für eine Brennkammer (30), aufweisend:einen Brennstoffsammelraum (110, 220);wobei der Brennstoffsammelraum (110, 220) mehrere Brennstoffrohre (130, 250, 260) und einen Brennstoffsammelraumflansch (190, 320) aufweist; undein Brennerrohr (140, 270) mit einem Brennerrohrflansch (200, 330);wobei das Brennerrohr (140, 270) mehrere Luftrohre (150, 280) aufweist; undwobei sich die mehreren Brennstoffrohre (130, 250, 260) aus dem Brennstoffsammelraum (110, 220) in die Luftrohre (150, 280) erstrecken;mit Abstandshaltern (180, 310), die an einem Ende an dem Brennstoffsammelraumflansch (190, 320) und an dem anderen Ende an dem Brennerrohrflansch (200, 330) befestigt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Gasturbinen und speziell einen Mehrfachrohr-Vormischer mit Rohr-in-Rohr-Gaseinspritzvorrichtungen und einem inerten Mantel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Wirkungsgrad von Gasturbinen nimmt im Wesentlichen mit der Temperatur des Verbrennungsgasstroms zu. Höhere Verbrennungsgasstromtemperaturen können jedoch höhere Anteile an unerwünschten Emissionen wie z.B. Stickstoffoxide (NO_x) und dergleichen erzeugen. NO_x-Emissionen unterliegen im Allgemeinen behördlichen Vorschriften. Ein verbesserter Gasturbinenwirkungsgrad muss daher gegenüber der Einhaltung von Emissionsvorschriften abgewogen werden.
Niedrigere NO_x-Emissionspegel können erzielt werden, indem eine gute Vermischung des Brennstoffstroms und des Luftstroms erzeugt wird. Beispielsweise werden der Brennstoffstrom und der Luftstrom in einer trocken betriebenen NO_x-armen (DLN Dry Low NO_x) Brennkammer vorvermischt, bevor sie einer Reaktions- oder Verbrennungszone zugeführt werden. Eine derartige Vorvermischung reduziert tendenziell die Verbrennungstemperaturen und die NO_x-Emissionsabgabe. Andere Systeme versuchen die Flammenhaltung durch Einfügen von Verdünnungsmitteln in das Brennstoff/Luft-Gemisch zu verbessern, um somit ein vorbestimmtes Gemisch und/oder vorbestimmte Temperatur zu erzielen.
Die Vorvermischung kann jedoch auch eine Selbstzündung, Flammenrückschlag, Flammenhaltung und/oder andere Arten von Betriebsproblemen bewirken oder fördern. Insbesondere kann die Flammenhaltung durch die Ungleichmäßigkeit in den Brennstoff- und Luft-Strömen aufgrund des ankommenden Profils beeinträchtigt sein. Ferner kann die Flammenhaltung auch ein Problem mit der Brennstoffstrahlwechselwirkung innerhalb der Düse sein.
US 2009/0293484 A1 beschreibt eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Vormischer, der einen Brennstoffsammelraum mit mehreren Brennstoffrohren und ein Brennerrohr mit mehreren Luftdüsen enthält. Die Brennstoffrohre erstrecken sich aus dem Brennstoffsammelraum in die Luftdüsen hinein. Ein gemeinsames rohrförmiges Gehäuseteil umgibt und hält den Brennstoffsammelraum mit den Brennstoffrohren und das Brennerrohr mit den Luftdüsen und enthält Durchgangsöffnungen, durch die Luft aus einem äußeren Ringkanal in den Vormischer eintritt und zu den Luftdüsen gelangt, um sich darin mit dem durch die Brennstoffrohre zugeführten Brennstoff zu vermischen.
US 2005/0000222 A1 beschreibt eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Vormischer, der einen Brennstoffsammelraum mit mehreren Brennstoffrohren und ein Brennerrohr mit mehreren Luftlöchern enthält, wobei sich einige der Brennstoffrohre aus dem Brennstoffsammelraum in die Luftlöcher hinein erstrecken. Das Brennerrohr bildet einen inneren Gehäusezylinder, der an einem äußeren Gehäuse der Brennkammer befestigt ist und Durchtrittsöffnungen für Luft zur Zuführung zu den Luftlöchern enthält.
Es besteht weiterhin ein Wunsch nach einem Vormischer, der eine gute Brennstoff/Luft-Vermischung erzeugt, um somit den Gesamtwirkungsgrad und die Flammenhaltezone zu vergrößern, während gleichzeitig Emissionsvorschriften eingehalten werden. Bevorzugt kann ein derartiger Vormischer bei neuen und bestehenden Anlagen eingesetzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung stellt somit einen Vormischer für eine Brennkammer bereit. Der Vormischer enthält einen Brennstoffsammelraum mit mehreren Brennstoffrohren und einem Brennstoffsammelraumflansch. Der Vormischer enthält ferner ein Brennerrohr mit einem Brennerrohrflansch und mehreren Luftrohren. Die Brennstoffrohre erstrecken sich aus dem Brennstoffsammelraum in die Luftrohre hinein. Der Vormischer enthält ferner Abstandshalter, die an einem Ende an dem Brennstoffsammelraumflansch und an dem anderen Ende an dem Brennerrohrflansch befestigt sind.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet bei Betrachtung der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offenbar.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht einer Gasturbine.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Vormischers, wie er hierin beschrieben wird.
3 ist eine Seitenquerschnittsansicht des Vormischers von 2.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Vormischers, wie er hierin beschrieben wird.
5 ist eine Seitenquerschnittsansicht des Vormischers von 4.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 1 eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Gasturbine 10 dar. Bekanntermaßen kann die Gasturbine 10 einen Verdichter 20 zum Verdichten eines ankommenden Luftstroms enthalten. Der Verdichter 20 liefert den verdichteten Luftstrom an die Brennkammer 30. Die Brennkammer 30 mischt den verdichteten Luftstrom mit einem Brennstoffstrom und zündet das Gemisch. (Obwohl nur eine Brennkammer 30 dargestellt ist, kann die Gasturbinenmaschine 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern 30 enthalten.) Die heißen Verbrennungsgase werden wiederum aus der Brennkammer 30 an die eigentliche Turbine 40 geliefert. Die eigentliche Turbine 40 treibt den Verdichter 20 und eine externe Last 50, wie z.B. einen elektrischen Generator und dergleichen an. Die Gasturbine 10 kann hierin auch andere Konfigurationen und Komponenten enthalten.
2 stellt einen Vormischer 100 dar, wie er hierin beschrieben ist. Der Vormischer 100 kann in der vorstehend beschriebenen Brennkammer 30 und in ähnlichen Vorrichtungen eingesetzt werden. Der Vormischer kann einen Brennstoffsammelraum 110 enthalten. Der Brennstoffsammelraum 110 kann eine Kammer 120 in Verbindung mit einer Anzahl von Brennstoffrohren 130 enthalten. Die Kammer 120 kann jede gewünschte Größe oder Konfiguration haben. Eine beliebige Anzahl von Brennstoffrohren 130 kann darin verwendet werden. Die Brennstoffrohre 130 können jede gewünschte Abmessung oder Konfiguration haben.
Der Vormischer 100 kann auch ein Brennerrohr 140 enthalten. Das Brennerrohr 140 kann eine Anzahl von Luftrohren 150 enthalten, die sich dadurch hindurch erstrecken. Jede beliebige Anzahl von Luftrohren 150 kann verwendet werden. Die Luftrohre 150 können jede gewünschte Abmessung oder Konfiguration haben. Die Luftrohre 150 können sich von einer dem Kraftstoffsammelraum 110 gegenüberliegenden Trompetenöffnung 160 zu einer gegenüberliegenden Brennerrohrdüse 170 erstrecken. Die Luftrohre 150 können einen größeren Durchmesser im Vergleich zu den Brennstoffrohren 130 haben.
Der Brennstoffsammelraum 110 und das Brennerrohr 140 können durch eine Anzahl von Abstandshaltern 180 getrennt sein. Eine beliebige Anzahl von Abstandshaltern 180 kann verwendet werden. Die Abstandshalter 180 können jede beliebige Abmessung oder Konfiguration haben. Die Abstandshalter 180 können an einem Brennstoffsammelraumflansch 190 an einem Ende und an einem Brennerrohrflansch 200 an dem anderen Ende befestigt sein. Die Flansche 190, 200 können jede beliebige gewünschte Abmessung oder Konfiguration haben. Weitere Arten dieser Verbindungseinrichtungen können hierin verwendet werden. Der Abstand zwischen dem Brennstoffsammelraum 110 und dem Brennerrohr 140 kann variieren.
Eine Anzahl von den Brennstoffrohren 130 kann sich aus dem Brennstoffsammelraum 110 in eine Anzahl von den Luftrohren 150 in dem Brennerrohr 140 erstrecken. Brennstoff kann somit in den Brennstoffsammelraum 110 über die Kammer 120 eintreten, kann auf die Brennstoffrohre 130 verteilt werden und kann dann in den Luftstrom in jedem Luftrohr 150 eingespritzt werden, um sich darin damit zu vermischen. Ebenso kann der Luftstrom durch den Brennstoffsammelraum 110 und die Trompetenöffnung 160 und in die Luftrohre 150 geführt werden. Einige oder alle von den Luftrohren 150 können ein darin positioniertes Brennstoffrohr 130 haben. Der Vormischer 100 kann somit mehrere Luftrohre 150 mit mehreren Brennstoffrohren 130 verwenden, um somit mehrere gemeinsam verlaufende Strahlen von Brennstoff und Luft zu erzeugen. Je näher jedes Brennstoffrohr 130 an der Trompetenöffnung 160 um jedes Luftrohr 150 herum enden kann, desto besser vermischen sich der Brennstoff und die Luft in dem Luftrohr 150. Die Abmessung und Anzahl der Rohre 130, 150 kann variieren. Weitere Konfigurationen des Vormischers 110 können hierin verwendet werden.
4 und 5 stellen eine alternative Ausführungsform eines Vormischers 210 dar, wie er hierin beschrieben wird. In dieser Ausführungsform enthält der Vormischer 210 einen Brennstoffsammelraum 220 mit einer Innenkammer 230 und einer Außenkammer 240. Die Kammern 230, 240 können jede gewünschte Abmessung oder Konfiguration haben. (Die Positionierung der Innenkammer 230 und der Außenkammer 240 dient nur zur Identifikation. Die Positionierung ist relativ). Eine Anzahl der Brennstoffrohre 250 der Innenkammer kann sich aus der Innenkammer 230 heraus erstrecken. Ebenso kann sich eine Anzahl der Brennstoffrohre 260 der Außenkammer aus der Außenkammer 240 heraus erstrecken und durch die Innenkammer 230 hindurchtreten. Die Abmessung und Anzahl der Rohre 250, 260 kann variieren. Die Brennstoffrohre 260 der Außenkammer können die Brennstoffrohre 250 der Innenkammer umgeben. Weitere Konfigurationen können hierin verwendet werden.
Der Vormischer 210 enthält auch ein Brennerrohr 270. Wie vorstehend enthält das Brennerrohr 270 eine Anzahl von sich dadurch hindurch erstreckenden Luftrohren 280. Die Abmessung und Anzahl der Luftrohre 280 kann variieren. Die Luftrohre 280 können sich von einer Trompetenöffnung 290 bis zu einer Brennerdüse 300 erstrecken. Ein Teil der Luftrohre 280 kann sich dadurch hindurch erstreckende Innenkammerbrennstoffrohre 250 haben, während andere sich dadurch hindurch erstreckende Au-ßenkammerbrennstoffrohre 260 haben können. Die Luftrohre 280 können einen größeren Durchmesser im Vergleich zu den Luftrohren 250, 260 haben.
Der Vormischer 210 kann auch eine Anzahl von Abstandshaltern 310 haben, die den Brennstoffsammelraum 220 und das Brennerrohr 270 trennen. Eine beliebige Anzahl von Abstandshaltern 310 kann verwendet werden. Die Abstandshalter 310 können jede gewünschte Abmessung oder Konfiguration haben. Der erste Sammelraum 220 kann einen Brennstoffsammelraumflansch 320 haben, während das Brennerrohr 270 einen Brennerrohrflansch 330 haben kann. Die Flansche 320, 330 können jede beliebige Abmessung oder Konfiguration haben. Weitere Arten von Verbindungen können hierin verwendet werden. Der Abstand zwischen dem Brennstoffsammelraum 220 und dem Brennerrohr 270 kann variieren.
Brennstoff oder andere Arten von Strömen können somit aus den Innen- und Außenkammern 230, 240 durch die Brennstoffrohre 250, 260 strömen und sich mit der Luft in den Luftrohren 280 vermischen. Die Innen- und Außenkammern 230, 240 können mit unterschiedlichen Anordnungen von Brennstoff, Luft und Verdünnungsmitteln verwendet werden. Beispielsweise kann die Außenkammer 240 mit einem Verdünnungsmittel, wie z.B. Stickstoff (N₂), verwendet werden, während die Innenkammer 230 mit einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff (H₂), verwendet werden kann. Alternativ kann der Verdünnungsmittelstrom ein weniger reaktiver Brennstoff sein oder einen solchen enthalten. Diese Anordnung von Verdünnungsmitteln und Brennstoff kann einen Mantel eines inerten Verdünnungsmittels erzeugen, der den Kraftstoffstrom umgibt. Ein derartiger durch die Luftrohre 280 verlaufender inerter Außenmantel kann eine Flammenhaltung um die Brennerdüse 300 herum verhindern.
Weitere Brennstoff- und Luftvermischungsmechanismen können hierin verwendet werden. Beispielsweise kann die Innenkammer 230 mit Luft gefüllt sein, während die Außenkammer 240 ein Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff enthält. Ebenso kann die Innenkammer 230 Stickstoff verwenden, während die Außenkammer 240 Kombinationen von Wasserstoff und Stickstoff verwendet. Weitere Anordnungen und unterschiedliche Arten und Kombinationen von Luft, Brennstoff und Verdünnungsmittel können hierin verwendet werden.
Die hierin beschriebenen Vormischer 100, 210 können somit mehrere Brennstoff- und Luftrohre verwenden, um mehrere in gleiche Richtung strömende Strahlen von Luft und Brennstoff zu erzeugen. Die Vermischung von Brennstoff und Luft kann somit aufgrund des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser der Luftrohre verbessert werden. Die Vormischer 100, 210 können auch Brennstoffstrahlen in Verbindung mit einem Mantel aus Verdünnungsmittel und/oder Verdünnungsmittel und Luft verwenden. Die mehreren Strahlen erzeugen auch eine vergrößerte Flammenhaltezone aufgrund der erhöhten axialen Komponente des Brennstoffstroms zum Luftstrom und aufgrund der Unterteilung des herkömmlichen Brennerrohrs in mehrere Rohre. Eine lokale Auslöschung kann auch durch den inerten Stickstoff, andere Verdünnungsmittel und/oder einen starken Luftstrom induziert werden, um somit die Flammenhaltung zu begrenzen. Sehr niedrige Emissionen können somit durch die gute Vermischung erzielt werden, die durch die Einspritzung des Brennstoffs in jedes schmale Luftrohr bewirkt wird.
Es dürfte ersichtlich sein, dass Vorstehendes nur bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung betrifft und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen hierin von einem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ohne Abweichung von dem allgemeinen Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung gemäß Definition durch die nachstehenden Ansprüche und deren Äquivalente ausgeführt werden können.
Die vorliegende Anmeldung 100 stellt einen Vormischer 100 für eine Brennkammer 30 bereit. Der Vormischer 100 kann einen Brennstoffsammelraum 110 mit einer Anzahl von Brennstoffrohren 130 und ein Brennerrohr 140 mit einer Anzahl von Luftrohren 150 enthalten. Die Brennstoffrohre 130 erstrecken sich um die mehreren Luftrohre 150 herum.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbine
20: Verdichter
30: Brennkammer
40: Turbine
50: externe Last
100: Vormischer
110: Brennstoffsammelraum
120: Kammer
130: Brennstoffrohre
140: Brennerrohr
150: Luftrohre
160: Trompetenöffnung
170: Brennerrohrdüse
180: Abstandshalter
190: Brennstoffsammelraumflansch
200: Brennerrohrflansch
210: Vormischer
220: Brennstoffsammelraum
230: Innenkammer
240: Außenkammer
250: Brennstoffrohre der Innenkammer
260: Brennstoffrohre der Außenkammer
270: Brennerrohr
280: Luftrohre
290: Trompetenöffnung
300: Brennerrohrdüse
310: Abstandshalter
320: Brennstoffsammelraumflansch
330: Brennerrohrflansch

Claims

Vormischer (100, 210) für eine Brennkammer (30), aufweisend: einen Brennstoffsammelraum (110, 220); wobei der Brennstoffsammelraum (110, 220) mehrere Brennstoffrohre (130, 250, 260) und einen Brennstoffsammelraumflansch (190, 320) aufweist; und ein Brennerrohr (140, 270) mit einem Brennerrohrflansch (200, 330); wobei das Brennerrohr (140, 270) mehrere Luftrohre (150, 280) aufweist; und wobei sich die mehreren Brennstoffrohre (130, 250, 260) aus dem Brennstoffsammelraum (110, 220) in die Luftrohre (150, 280) erstrecken; mit Abstandshaltern (180, 310), die an einem Ende an dem Brennstoffsammelraumflansch (190, 320) und an dem anderen Ende an dem Brennerrohrflansch (200, 330) befestigt sind.
Vormischer (100, 210) nach Anspruch 1, wobei das Brennerrohr (140, 270) eine Trompetenöffnung (160, 290) an einem ersten Ende und eine Brennerrohrdüse (170, 300) an einem zweiten Ende aufweist.
Vormischer (100, 210) nach Anspruch 2, wobei sich die mehreren Luftrohre (150, 280) von der Trompetenöffnung (160, 290) aus zu der Brennerrohrdüse (170, 300) erstrecken.
Vormischer (100, 210) nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffsammelraum (110, 220) eine Kammer (120, 230, 240) in Verbindung mit den mehreren Brennstoffrohren (130, 250, 260) aufweist.
Vormischer (210) nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffsammelraum (220) mehrere Kammern (230, 240) aufweist.
Vormischer (210) nach Anspruch 5, wobei die mehreren Kammern (230, 240) eine erste Kammer (230) aufweisen, und wobei die mehreren Brennstoffkammern (230, 240) mehrere erste Brennstoffrohre (250) in Verbindung mit der ersten Kammer (230) aufweisen.
Vormischer (210) nach Anspruch 6, wobei die mehreren Kammern (230, 240) eine zweite Kammer (240) aufweisen, und wobei die mehreren Brennstoffrohre (250, 260) mehrere zweite Brennstoffrohre (260) in Verbindung mit der zweiten Kammer (240) aufweisen.
Vormischer (210) nach Anspruch 7, wobei die mehreren ersten Brennstoffrohre (250) die mehreren zweiten Brennstoffrohre (260) umgeben.