DE102010061639A1

DE102010061639A1 - Brennstoffdüse mit integrierten Kanälen und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102010061639A1
Application number: DE102010061639A
Authority: DE
Inventors: Abdul Rafey S.C. Khan; Willy Steve S.C. Ziminsky; Christian S.C. Stevenson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102116479A; US8677760B2; US20110162371A1; DE102010061639B4; CH702545A2; JP2011141113A; CH702545B1

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer sekundären Brennstoffdüse (14) für eine Brennkammer (10) einer Turbomaschine offenbart, das ein Zuführen einer Pilotbrennstoffströmung (40) durch einen Pilotbrennstoffkanal (26) zu einer Verbrennungszone (42) und Zuführen einer Luftströmung durch mehrere Übergangskanäle (30), die um den Pilotbrennstoffkanal (26) herum angeordnet sind, zu der Verbrennungszone (42) enthält. Die Pilotbrennstoffströmung (40) und die Luftströmung werden in der Verbrennungszone (42) verbrannt, und es wird eine Übergangsbrennstoffströmung durch die mehreren Übergangskanäle (30) zur Verbrennung geliefert. Eine sekundäre Brennstoffdüse (14) enthält einen Pilotbrennstoffkanal (26), der sich entlang der Brennstoffdüse erstreckt, um eine Pilotbrennstoffströmung (40) zu einer Verbrennungszone (42) zu liefern. Mehrere Übergangskanäle (30) sind um den Pilotbrennstoffkanal (26) herum angeordnet und sind dazu eingerichtet, eine Luftströmung zur Verbrennung gemeinsam mit der Pilotbrennstoffströmung (40) zu liefern und eine Übergangsbrennstoffströmung zu der Verbrennungszone (42) zu liefern.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein Turbomaschinen. Insbesondere betrifft der Offenbarungsgegenstand Brennstoff- und Luftkanäle, die durch Brennstoffdüsen für Turbomaschinen hindurchführen.
Da die Vorschriften hinsichtlich der Gasturbinenemissionen strenger werden, liegt eine Methode, um derartigen Vorschriften zu genügen, darin, von Diffusionsflammenbrennern zu Brennern zu wechseln, die unter Verwendung eines vollständig vorgemischten Betriebsmodus magere Brennstoff- und Luft-Gemische einsetzen, um Emissionen von z. B. NO_x und CO zu reduzieren. Diese Brenner sind in der Technik als Dry-Low-NO_x-(DLN-), Dry-Low-Emissions-(DLE-) oder als mager vorgemischte (LPM, Lean Pre Mixed)-Verbrennungssysteme bekannt. Diese Brennkammern enthalten gewöhnlich mehrere primäre Düsen, die für Betriebsbedingungen der Brennkammer unter geringer Last und mittlerer Last gezündet werden. Während vollständig vorgemischter Betriebsbedingungen liefern die primären Düsen Brennstoff, um die sekundäre Flamme zu speisen. Die primären Düsen umgeben gewöhnlich eine sekundäre Düse, die für Betriebsbedingungen der Brennkammer mit mittlerer Last bis zu vollständig vorgemischtem Modus verwendet werden. Die sekundären Düsen erfüllen verschiedene Funktionen in der Brennkammer, einschließlich der Zuführung von Brennstoff für den vollständig vorgemischten Modus, Zuführung von Brennstoff und Luft für einen Pilotflammen unterstützenden primären Düsenbetrieb und Zuführung von Übergangsbrennstoff zur Verwendung während der Wechsel zwischen Betriebsmodi. Im Pilotmodus wird Brennstoff für den Betrieb der Piloteinrichtung durch einen Pilotbrennstoffkanal geleitet, der gewöhnlich in der Mitte der Brennstoffdüse angeordnet ist, während Luft zur Vermischung mit dem Pilotbrennstoff über mehrere Pilotluftkanäle geliefert wird, die den Pilotbrennstoffkanal umgeben. Während des Übergangsbetriebs der Brennstoffdüse wird zusätzlicher Brennstoff durch die Düse hindurch und in die Verbrennungszone hinein durch eine Gruppe von Übergangskanälen, die in der Düse gesondert von dem Pilotbrennstoffkanal angeordnet sind, als eine andere, eigene Brennstoffströmung getrieben. Wenn sich die Düse nicht im Übergangsmodus befindet, besteht die momentane Übung darin, die Übergangskanäle durch Strömenlassen von Übergangsluft durch die Übergangskanäle von Brennstoff frei zu spülen. In diesem Betriebsmodus ist die Piloteinrichtung von dieser Strömung der eine niedrigere Temperatur aufweisenden Spülluft umgeben. Gesonderte Kanäle in der sekundären Düse für den Pilotbrennstoff, den Übergangsbrennstoff und die Luft sowie für die Pilotluft ergeben eine komplexe Düsenanordnung. Ferner ist die Piloteinrichtung der typischen Düse aufgrund der Konfiguration der Pilotbrennstoff- und Luftkanäle hinsichtlich des Brennstoffs begrenzt, so dass hoch reaktive Brennstoffe in der Piloteinrichtung nicht verwendet werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Betreiben einer sekundären Brennstoffdüse für eine Brennkammer einer Turbomaschine ein Zuführen einer Pilotbrennstoffströmung durch einen Pilotbrennstoffkanal zu einer Verbrennungszone hin und Zuführen einer Luftströmung durch mehrere Übergangskanäle, die rings um den Pilotbrennstoffkanal angeordnet sind, zu der Verbrennungszone hin. Die Pilotbrennstoffströmung und die Luftströmung werden in der Verbrennungszone verbrannt, und eine Übergangsbrennstoffströmung wird durch die mehreren Übergangskanäle zur Verbrennung in der Verbrennungszone geliefert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine sekundäre Brennstoffdüse für eine Brennkammer einer Turbomaschine einen Pilotbrennstoffkanal, der sich in Axialrichtung entlang der Brennstoffdüse erstreckt und konfiguriert ist, um eine Pilotbrennstoffströmung zu einer Verbrennungszone zu liefern. Mehrere Übergangskanäle sind um den Pilotbrennstoffkanal herum angeordnet und sind konfiguriert, um eine Luftströmung zur Verbrennung mit der Pilotbrennstoffströmung in der Verbrennungszone zu liefern, und sind ferner konfiguriert, um eine Übergangsbrennstoffströmung zu der Verbrennungszone zu liefern.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Das Vorstehende sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
1 eine schematisierte Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Brennkammer für eine Turbomaschine;
2 eine schematisierte Perspektivansicht einer Ausführungsform einer sekundären Brennstoffdüse für die Brennkammer nach 1;
3 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer sekundären Brennstoffdüse;
4 eine schematisierte Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Spitze einer sekundären Brennstoffdüse; und
5 eine weitere schematisierte Querschnittsansicht der Spitze der sekundären Brennstoffdüse nach 4.
Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam mit Vorteilen und Merkmalen anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist eine Ausführungsform einer Brennkammer 10 veranschaulicht. Die Brennkammer enthält mehrere primäre Düsen 12, die eine sekundäre Düse 14 umgeben. Indem nun auf 2 Bezug genommen wird, ist die sekundäre Düse 14 eine im Wesentlichen ringförmige Struktur, die eine Mittelachse 16 aufweist und die mehrere Injektorlöcher 18 enthält, die stromaufwärts von einer Spitze 20 der sekundären Brennstoffdüse 14 angeordnet sind. Die Spitze 20 enthält mehrere Spitzenlöcher 22 an einem distalen Ende 24 der Spitze 20.
Wie in 3 veranschaulicht, enthält die sekundäre Düse 14 mehrere Brennstoffkanäle, die zu unterschiedlichen Zeiten in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus der Brennkammer 10 eingesetzt werden. Ein Pilotbrennstoffkanal 26 ist in einer Mitte der sekundären Düse 14 entlang der Mittelachse 16 angeordnet. Der Pilotbrennstoffkanal 26 liefert Brennstoff z. B. für den Pilotbetrieb der sekundären Düse 14. während des sekundären oder vollständig vorgemischten Betriebs der Brennkammer 10 wird Brennstoff über mehrere sekundäre Brennstoffkanäle 28 zu den mehreren Injektorlöchern 18 geliefert. Mehrere Übergangskanäle 30 erstrecken sich im Wesentlichen in Axialrichtung entlang der sekundären Düse 14 und sind radial außen von dem Pilotbrennstoffkanal 26 angeordnet. Die mehreren Übergangskanäle 30 führen Übergangsbrennstoff zur Verwendung während der Übergänge zwischen Betriebsmodi zu.
4 veranschaulicht die Düsenspitze 20 in größeren Einzelheiten. Der Pilotbrennstoffkanal 26 erstreckt sich durch die Düsenspitze 20 hindurch zu einem Diffusor 32, der an dem Spitzenende 24 angeordnet ist. Die mehreren Übergangskanäle 30 erstrecken sich durch die Düsenspitze 20 und treten aus der sekundären Düse 14 an den mehreren Spitzenlöchern 22 aus. Der Pilotbrennstoffkanal 26 ist mit den mehreren Übergangskanälen 30 über mehrere Pilotlöcher 34 verbunden, die in einer Seitenwand 36 der mehreren Übergangskanäle 30 angeordnet sind. Der Pilotbrennstoffkanal 26 ist mit einer Pilotbrennstoffquelle 38 verbunden.
Wenn die sekundäre Düse 14 als eine Piloteinrichtung, z. B. in einem Pilotmodus, arbeitet, wie in 4 veranschaulicht, wird eine Pilotbrennstoffströmung 40 durch den Pilotbrennstoffkanal 26 getrieben, und sie strömt weiter durch den Diffusor 32. Die Pilotbrennstoffströmung 40 verläuft anschließend weiter durch die mehreren Pilotlöcher 34 hindurch, durch die mehreren Übergangskanäle 30 hindurch und in eine Verbrennungszone 42 hinein, um eine Pilotflamme 44 mit Brennstoff zu speisen. Während eines Pilotbetriebsmodus der Brennstoffdüse 10 wird eine Pilotluftströmung 46 durch die mehreren Übergangskanäle 30 getrieben. Die Pilotluftströmung 46 tritt aus den mehreren Übergangskanälen 30 heraus, in die Verbrennungszone 42 hinein und wird dazu verwendet, die Pilotbrennstoffströmung 40 zu verbrennen. Ferner vermischt sich die Pilotluftströmung 46 in einigen Ausführungsformen wenigstens teilweise mit der Pilotbrennstoffströmung 40 in den mehreren Übergangskanälen 30 vor der Verbrennung in der Verbrennungszone 42. Eine Vormischung der Pilotluftströmung 46 und der Pilotbrennstoffströmung 40 stabilisiert die Pilotflamme 44 und ermöglicht eine niedrigere Betriebstemperatur der Pilotflamme 44, wodurch NO_x-Emissionen während des Betriebs der Brennkammer 10 reduziert werden.
5 veranschaulicht einen Betrieb der sekundären Düse 14 während eines Übergangsbetriebs. Während eines Übergangsbetriebsmodus wird eine Übergangsbrennstoffströmung 48 durch die mehreren Übergangskanäle 30 hindurch und in die Verbrennungszone 42 hinein von einer Übergangsbrennstoffquelle 50 getrieben. In einigen Ausführungsformen wird, während die Übergangsbrennstoffströmung 48 durch die mehreren Übergangskanäle 30 getrieben wird, die Strömung der Pilotluft 46 vorübergehend eingestellt.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen ermöglichen die Nutzung der mehreren Übergangskanäle 30, um die Pilotluftströmung 46 während des Pilotbetriebsmodus zu leiten, um die Pilotbrennstoffströmung 40 zu verbrennen, und um die Übergangsbrennstoffströmung 48 während des Übergangsbetriebsmodus zu leiten. Die Nutzung der mehreren Übergangskanäle 30 für beide Funktionen ermöglicht die Beseitigung der Pilotluftkanäle der herkömmlichen Sekundärdüsenkonfiguration, was eine weniger komplexe Sekundärdüse 14 mit weniger Komponenten ergibt.
Eine Beseitigung der Pilotluftkanäle ermöglicht eine Vergrößerung der Gesamtfläche der Übergangskanäle 30. Diese vergrößerte Fläche ergibt eine größere Brennstoffflexibilität für die Sekundärdüse 14, einschließlich der Verwendbarkeit hochreaktiver Brennstoffe in der Piloteinrichtung. Aufgrund der vergrößerten Fläche kann ein größeres Volumen der Übergangsbrennstoffströmung 48 durch diese getrieben werden, so dass Brennstoffe mit niedrigerem BTU-Wert (British Thermal Unit), die eine größere volumetrische Durchflussrate erfordern, unter Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit der Sekundärdüse 14 verwendet werden können.
Während der Erfindung in Einzelheiten in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte ohne weiteres verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Veränderungen, Modifikationen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier vorstehend zwar nicht beschrieben sind, jedoch dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Außerdem ist es zu verstehen, dass, während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sonder ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer sekundären Brennstoffdüse 14 für eine Brennkammer 10 einer Turbomaschine offenbart, das ein Zuführen einer Pilotbrennstoffströmung 40 durch einen Pilotbrennstoffkanal 26 zu einer Verbrennungszone 42 und Zuführen einer Luftströmung durch mehrere Übergangskanäle 30, die um den Pilotbrennstoffkanal 26 herum angeordnet sind, zu der Verbrennungszone 42 enthält. Die Pilotbrennstoffströmung 40 und die Luftströmung werden in der Verbrennungszone 42 verbrannt, und es wird eine Übergangsbrennstoffströmung durch die mehreren Übergangskanäle 30 zur Verbrennung geliefert. Eine sekundäre Brennstoffdüse 14 enthält einen Pilotbrennstoffkanal 26, der sich entlang der Brennstoffdüse erstreckt, um eine Pilotbrennstoffströmung 40 zu einer Verbrennungszone 42 zu liefern. Mehrere Übergangskanäle 30 sind um den Pilotbrennstoffkanal 26 herum angeordnet und sind dazu eingerichtet, eine Luftströmung zur Verbrennung gemeinsam mit der Pilotbrennstoffströmung 40 zu liefern und eine Übergangsbrennstoffströmung zu der Verbrennungszone 42 zu liefern.
Bezugszeichenliste

10: Brennkammer
12: primäre Düse
14: sekundäre Düse
16: Mittelachse
18: Injektorlöcher
20: Spitze
22: Spitzenlöcher
24: distales Ende
26: Pilotbrennstoffkanal
28: Sekundärbrennstoffkanal
30: Übergangskanal
32: Diffusor
34: Spitzenende
36: Seitenwand
38: Pilotbrennstoffquelle
40: Pilotbrennstoff
42: Verbrennungszone
44: Pilotflamme
46: Pilotluft
48: Brennstoffströmung
50: Übergangsbrennstoffquelle

Claims

Verfahren zum Betreiben einer sekundären Brennstoffdüse (14) für eine Brennkammer (10) einer Turbomaschine, das aufweist: Zuführen einer Pilotbrennstoffströmung (40) durch einen Pilotbrennstoffkanal (26) zu einer Verbrennungszone (42); Zuführen einer Luftströmung durch mehrere Übergangskanäle (30), die um den Pilotbrennstoffkanal (26) herum angeordnet sind, zu der Verbrennungszone (42); Verbrennen der Pilotbrennstoffströmung (40) und der Luftströmung in der Verbrennungszone (42); und Zuführen einer Übergangsbrennstoffströmung durch die mehreren Übergangskanäle (30) zur Verbrennung in der Verbrennungszone (42).
Verfahren nach Anspruch 1, das ein wenigstens teilweises Vermischen der Pilotbrennstoffströmung (40) und der Luftströmung vor der Verbrennung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das wenigstens teilweise Vermischen der Pilotbrennstoffströmung (40) und der Luftströmung eine Pilotflamme (44) stabilisiert.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Zuführen der Pilotbrennstoffströmung (40) von dem Pilotbrennstoffkanal (26) aus durch einen Diffusor hindurch in die Verbrennungszone (42) hinein aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Einstellen der Luftströmung durch die mehreren Übergangskanäle (30) aufweist, wenn die Übergangsbrennstoffströmung durch die mehreren Übergangskanäle (30) getrieben wird.
Sekundäre Brennstoffdüse (14) für eine Brennkammer (10) einer Turbomaschine, die aufweist: einen Pilotbrennstoffkanal (26), der sich in Axialrichtung entlang der Brennstoffdüse (14) erstreckt und eingerichtet ist, um eine Pilotbrennstoffströmung (40) zu einer Verbrennungszone (42) zu liefern; und mehrere Übergangskanäle (30), die um den Pilotbrennstoffkanal (26) herum angeordnet und eingerichtet sind, um eine Luftströmung zur Verbrennung mit der Pilotbrennstoffströmung (40) in der Verbrennungszone (42) zu liefern, und ferner eingerichtet sind, um eine Übergangsbrennstoffströmung zu der Verbrennungszone (42) zu liefern.
Sekundäre Brennstoffdüse (14) nach Anspruch 6, die mehrere Pilotlöcher aufweist, die den Pilotbrennstoffkanal (26) mit den mehreren Übergangskanälen (30) verbinden.
Sekundäre Brennstoffdüse (14) nach Anspruch 6, die einen Diffusor aufweist, der an einem distalen Ende der Brennstoffdüse (14) angeordnet ist.
Sekundäre Brennstoffdüse (14) nach Anspruch 6, wobei der Pilotbrennstoffkanal (26) im Wesentlichen entlang einer Mittelachse der Brennstoffdüse (14) angeordnet ist.
Sekundäre Brennstoffdüse (14) nach Anspruch 6, wobei die mehreren Übergangskanäle (30) im Wesentlichen radial außerhalb des Pilotbrennstoffkanals (26) angeordnet sind.