DE102011000227A1

DE102011000227A1 - System und Verfahren zur Erfassung und Kontrolle eines Flammrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer

Info

Publication number: DE102011000227A1
Application number: DE102011000227A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey David Myers; Timothy Joseph Rehg; Anthony Wayne Krull; Timothy Andrew Healy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: DE102011000227B4; CN102192503B; JP5759188B2; CH702607A2; US8915089B2; CN102192503A; JP2011185265A; CH702607B1; US20140075953A1

Abstract

Es ist ein System zur Erfassung und Kontrolle eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer (16) einer Gasturbine (10) geschaffen. Das System enthält wenigstens einen Flammenindikator (66), der in einer Brennkammer (16) angeordnet ist, und wenigstens einen Detektor (68), der stromabwärts von dem Flammenindikator (66) angeordnet ist. Der Flammenindikator (66) kann konfiguriert sein, um Licht zu erzeugen, wenn er einer Flamme ausgesetzt ist, und der Detektor (68) kann konfiguriert sein, um das durch den Flammenindikator (66) erzeugte Licht zu detektieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Der vorliegende Gegenstand betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere in Gasturbinen befindliche Brennkammern. Insbesondere betrifft der vorliegende Gegenstand ein System und Verfahren zur Erfassung und Kontrolle eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Um die Bildung luftverschmutzender Emissionen, beispielsweise von NOx, zu reduzieren, enthalten Brennkammern in einer Gasturbine häufig ein mager vorgemischtes Verbrennungssystem, in dem Brennstoff und Luft in mehreren Vormischbrennstoffdüsenanordnungen miteinander vermischt werden, die stromaufwärts von einem Brennraum in der Brennkammer angeordnet sind. Die Verwendung eines mager vorgemischten Verbrennungssystems erhöht jedoch auch die Neigung zu Flammenrückschlagereignissen, die auftreten, wenn die Flamme in dem Brennraum stromaufwärts in die Vormischzone der Brennstoffdüsenanordnung aufflammt. Die Wahrscheinlichkeit, dass Flammenrückschlagereignisse auftreten, kann weiter erhöht sein, wenn stark reaktive Brennstoffe, wie beispielsweise Wasserstoff angereicherte Brennstoffe und Brennstoffe, die aus Flüssigerdgas abgeleitet werden, verwendet werden, um eine Gasturbine zu befeuern. Diese Flammenrückschlagereignisse führen häufig zum Flammenhalten, wobei sich die Flamme innerhalb der Brennstoffdüsenanordnung „hält” oder darin erhalten bleibt. Das Flammenhalten kann eine beträchtliche Beschädigung an der Brennstoffdüsenanordnung zur Folge haben, da erhöhte Temperaturen in der Brennstoffdüse die Auslegungstemperaturen der Düsenmaterialien überschreiten. Außerdem kann ein anhaltendes Flammenhalten das Düsenmaterial veranlassen wegzuschmelzen. Dies kann zu einer ernsthaften Beschädigung an Turbinenschaufeln führen, da aufgeschmolzene Teile der Brennstoffdüsenanordnung durch eine Brennkammer hindurch und in den Turbinenabschnitt einer Gasturbine hinein strömen.
Um eine derartige Beschädigung zu verhindern, sind verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen worden, um einen Flammenrückschlag und ein Flammenhalten in einer Brennstoffdüsenanordnung zu detektieren. Z. B. verwenden einige Detektionsvorrichtungen Thermoelemente, um Temperaturveränderungen zu erfassen. Jedoch nehmen Thermoelemente die Erfassung eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens nur an einzelnen Stellen innerhalb der Brennstoffdüsenanordnung vor. Demgemäß ist es ziemlich komplex und kostspielig, Wärmeelemente an jeder Stelle innerhalb einer Brennstoffdüsenanordnung zu positionieren, an der ein Flammenhalten auftreten kann. Es sind weitere Vorrichtungen bekannt, die ein elektrisches Feld verwenden, um Flammen innerhalb der Brennstoffdüsenanordnung zu detektieren. Jedoch erfordert dies eine elektrische Verdrahtung zu jeder Düse, um eine Erfassung auf Höhe der Düse zu erreichen. Außerdem ist festgestellt worden, dass mit dem Einsatz elektrischer Felder zur Erfassung von Flammen Kosten und Zuverlässigkeitsprobleme verbunden sind.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem System und Verfahren zur Erfassung und Kontrolle eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer, die zuverlässig, relativ einfach und effektiv sind, ohne zu kostspielig zu sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung offenkundig sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in Praxis erfahren werden.
In einem Aspekt ergibt der vorliegende Gegenstand ein besonderes System zur Erfassung und Kontrolle eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer einer Gasturbine. Das System enthält wenigstens einen Flammenindikator, der in einer Brennkammer angeordnet ist, und wenigstens einen Detektor, der stromabwärts von dem Flammenindikator angeordnet ist. Der Flammenindikator kann konfiguriert sein, um Licht zu erzeugen, wenn er einer Flamme ausgesetzt ist, und der Detektor kann konfiguriert sein, um das von dem Flammenindikator erzeugte Licht zu detektieren.
In einem weiteren Aspekt ergibt der vorliegende Gegenstand eine Gasturbine, die in der Lage ist, einen Flammenrückschlag und ein Flammenhalten zu erfassen und zu kontrollieren. Die Gasturbine kann einen Verdichterabschnitt zur Verdichtung von Luft und einen Brennkammerabschnitt enthalten, der konfiguriert ist, um die verdichtete Luft zu empfangen, die Luft mit Brennstoff zu vermischen, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu bilden, und das Luft/Brennstoff-Gemisch zu verbrennen. Ein Turbinenabschnitt kann stromabwärts von dem Brennkammerabschnitt angeordnet und konfiguriert sein, um aus dem Brennkammerabschnitt strömende heiße Verbrennungsgase zu empfangen. Außerdem kann die Gasturbine das System enthalten, wie es vorstehend erläutert und in größeren Einzelheiten hier nachstehend beschrieben ist.
In einem weiteren Aspekt ergibt der vorliegende Gegenstand ein Verfahren zum Erfassen und Kontrollieren eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer einer Gasturbine. Das Verfahren enthält den Schritt des Anzeigens des Vorliegens eines Flammenhaltens in einer Brennkammer durch Erzeugung von Licht einer speziellen Farbe, Erfassen des erzeugten Lichts, Benachrichtigen eines Gasturbinensteuersystems über das erfasste Licht und Bestimmen, ob in der Brennkammer ein Flammenhalten vorliegt.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Beschreibung enthalten sind und einen Teil desselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Eine vollständige und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, die sich an einen Fachmann auf dem Gebiet richtet, ist in der Beschreibung angegeben, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:
1 eine Querschnittsansicht verschiedener Abschnitte einer Gasturbine;
2 eine Querschnittsansicht einer Vormischbrennstoffdüsenanordnung, die in einer Gasturbine eingebaut sein kann;
3 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Brennraums mit Blick zurück auf den Austritt der Vormischbrennstoffdüsenanordnungen und unter Identifizierung des Brennstoffkreislaufs, der jede Brennstoffdüsenanordnung versorgt;
4 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Flammenindikators gemäß einem Aspekt des vorliegenden Gegenstandes;
5 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des vorliegend offenbarten Systems mit einem Flammenindikator, der in einer Vormischbrennstoffdüsenanordnung eingebaut ist, gemäß einem Aspekt des vorliegenden Gegenstandes; und
6 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Detektors des vorliegend offenbarten Systems, der in einem Teil einer Gasturbine eingebaut ist, gemäß einem Aspekt des vorliegenden Gegenstands.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von der ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zu Zwecken der Erläuterung der Erfindung und nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich sein, dass an der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang und Rahmen der Erfindung abzuweichen. Z. B. können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, im Zusammenhang mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen mit umfasst, wie sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
Bezugnehmend auf 1 ist dort eine vereinfachte Zeichnung verschiedener Abschnitte einer Gasturbine 10 veranschaulicht. Die Gasturbine 10 weist einen Verdichterabschnitt 12 zur Unterdrucksetzung von Luft, die in die Turbine 10 einströmt, auf. Aus dem Verdichterabschnitt 12 ausgegebene Druckluft strömt in den Brennkammerabschnitt 14 hinein, der im Wesentlichen durch mehrere Brennkammern 16 gekennzeichnet ist, die in einer ringförmigen Anordnung rings um die Achse der Maschine bzw. des Triebwerks angeordnet sind (von denen in 1 lediglich eine einzelne veranschaulicht ist). Die in den Brennkammerabschnitt 14 eintretende Luft wird mit Brennstoff vermischt und verbrannt. Heiße Verbrennungsgase strömen aus jeder Brennkammer 16 zu einem Turbinenabschnitt 18, um die Gasturbine 10 anzutreiben und Leistung zu erzeugen.
Weiterhin bezugnehmend auf 1 kann jede Brennkammer 16 in der Gasturbine 10 ein mager vorgemischtes Verbrennungssystem zur Mischung und Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches und ein Übergangsstück 22 enthalten, um heiße Verbrennungsgase zu dem Turbinenabschnitt 18 strömen zu lassen. Wie in 1 veranschaulicht, enthält das mager vorgemischte Verbrennungssystem jeder Brennkammer 16 ein Verbrennungsgehäuse 24, eine Endabdeckung 26, mehrere Vormischbrennstoffdüsenanordnungen 28, eine Strömungshülse 30 und ein Brennkammerflammrohr 32, das im Inneren der Strömungshülse 30 angeordnet ist. Während des Betriebs strömt Druckluft, die den Verdichterabschnitt 12 verlässt, in jede Brennkammer 16 hinein durch die Strömungshülse 30 und die Prallhülse 34 des Übergangsstücks 22 hindurch, wo sie verwirbelt und mit Brennstoff vermischt wird, der in jede Brennstoffdüsenanordnung 28 eingespritzt wird. Das Luft/Brennstoff-Gemisch, das aus jeder Brennstoffdüsenanordnung 28 austritt, strömt in den Brennraum 36 oder die Reaktionszone hinein, der bzw. die durch das Brennkammerflammrohr 32 definiert ist, worin es verbrannt wird. Wie oben erwähnt, strömen die heißen Verbrennungsgase anschließend durch ein Übergangsstück 22 zu dem Turbinenabschnitt 18, um die Gasturbine 10 anzutreiben um Strom zu erzeugen. Es sollte jedoch ohne Weiteres verstanden werden, dass eine Brennkammer 16 nicht in der vorstehend beschriebenen und hierin veranschaulichten Weise konfiguriert sein muss und allgemein jede beliebige Konfiguration aufweisen kann, die unter Druck gesetzter Luft ermöglicht, mit Brennstoff vermischt, verbrannt und zu einem Turbinenabschnitt 18 einer Gasturbine 10 übertragen zu werden.
Jede Brennkammer 16 kann ferner ein Quartärbrennstoffsystem 38 enthalten, das eine kleine Menge von Brennstoff in den Druckluftstrom stromaufwärts von den Vormischbrennstoffdüsenanordnungen 28 einspritzt, um die Verbrennungsdynamik des mager vorgemischten Verbrennungssystems zu steuern. Das Quartärbrennstoffsystem 38 kann mehrere Quartärstifte 40 enthalten, die längs des Umfangs um die Innenseite des Verbrennungsgehäuses 24 herum angeordnet sind. Jedem Quartärstift 40 kann Brennstoff über einen Quartärbrennstoffverteiler 42 zugeführt werden, der einen Brennstoffkreislauf Q definiert, der rings um den Außenumfang des Verbrennungsgehäuses 24 angeordnet ist.
Bezugnehmend auf 2, ist dort eine Vormischbrennstoffdüsenanordnung 28 veranschaulicht. Wie veranschaulicht, kann die Brennstoffdüsenanordnung 28 einen Einlassströmungskonditionierer 44 enthalten, um die Luftströmungsgeschwindigkeitsverteilung durch die Brennstoffdüsenanordnung 28 zu verbessern. Die Brennstoffdüsenanordnung 28 kann ferner ein mittleres Rohr 46 und konzentrische Rohre 48, 50 enthalten, die diskrete kreisringförmige Vormischbrennstoffkanäle 52, 54 jeweils zwischen den Rohren 46 und 48 bzw. den Rohren 48 und 50 definieren. Das mittlere Rohr 46 kann konfiguriert sein, um ein Diffusionsgas zu dem Brennraum 36 der Brennkammer 16 (1) zu liefern. Aus dem Einlassströmungskonditionierer 44 ausströmende Luft kann zu mehreren Luftverwirblerschaufeln 56 gerichtet werden, um der Luft ein Drallmuster zu verleihen und die Vermischung der Luft mit dem Brennstoff zu fördern. Die Luftverwirblerschaufeln 56 können Brennstoffeinspritzkanäle oder -löcher 58 enthalten, die aus den Vormischbrennstoffkanälen 52, 54 strömenden Brennstoff in den Luftstrom injizieren. Die Luft und der Brennstoff können anschließend in eine Vormischzone oder einen Vormischringraum 60 einströmen, die bzw. der durch ein äußeres Brennerrohr 62 und ein inneres Brennerrohr 64 definiert ist, worin die Luft und der Brennstoff miteinander vermischt werden, bevor sie in den Brennraum 36 eintreten. Jedoch sollte ohne weiteres verständlich sein, dass eine Brennstoffdüsenanordnung 28 auf jede beliebige, für Fachleute auf dem Gebiet allgemein bekannte Weise konfiguriert und eingerichtet sein kann und nicht in der hierin beschriebenen oder veranschaulichten Weise konfiguriert sein muss.
Es sollte ferner verstanden werden, dass jede Brennkammer 16 in einer Gasturbine 10 eine beliebige Anzahl von Vormischbrennstoffdüsenanordnungen 28 enthalten kann. Z. B. veranschaulicht 3 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Brennraums 36, der durch das Brennkammerflammrohr 32 definiert ist, mit Blick zurück auf den Austritt mehrerer Brennstoffdüsenanordnungen 28 in einer Brennkammer 16. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält jede Brennkammer 16 sechs Brennstoffdüsenanordnungen 28. Brennstoff kann jeder Brennstoffdüsenanordnung 28 durch einen oder mehrere (nicht veranschaulichte) Vormischbrennstoffverteiler zugeführt werden. In einer Ausführungsform können drei Vormischbrennstoffverteiler verwendet werden, um drei gesonderte Brennstoffkreisläufe PM1, PM2 und PM3 zu definieren. Wie in 3 veranschaulicht, kann der Brennstoffkreislauf PM1 Brennstoff zu der mittleren Brennstoffdüsenanordnung 28 liefern, während der Brennstoffkreislauf PM2 Brennstoff zu zwei der äußeren Brennstoffdüsenanordnungen 28 liefern kann und der Brennstoffkreislauf PM3 Brennstoff zu den verbleibenden drei äußeren Brennstoffdüsenanordnungen 28 liefern kann. Wie vorstehend erwähnt, kann das Quartärbrennstoffsystem 38 von einem gesonderten Brennstoffkreislauf Q versorgt sein, der durch den Quartärbrennstoffverteiler 24 (1) definiert ist.
Wie allgemein bekannt ist, kann eine Beschädigung an einer Vormischbrennstoffdüsenanordnung 28 oder an anderen Komponenten einer Gasturbine 10 auftreten, wenn die Flamme innerhalb des Brennraums 36 in die Brennstoffdüsenanordnung 28 zurückschlägt. Falls das Luft/Brennstoff-Gemisch innerhalb des Vormischringraums 60 ausreicht, um die Flamme zu halten, kann sich die Flamme außerdem innerhalb der Brennstoffdüsenanordnung 28 „halten”. Dies kann eine erhebliche Beschädigung und teure Ausfallzeiten zur Folge haben. Jedoch sollte verstanden werden, dass, obwohl ein Flammenrückschlag und Flammenhalten hierin in erster Linie im Zusammenhang mit den Brennstoffdüsenanordnungen 28 erläutert sind, diese Zustände an anderen Stellen in einer Brennkammer 16 auftreten können. Z. B. können Flammenrückschlag- und Flammenhalteereignisse in der Nähe der Quartärstifte 40 oder an den Quartärstiften 40 des Quartärbrennstoffsystems 38 auftreten. Ein Flammenrückschlag und Flammenhalten können ferner in einem oder in der Nähe eines (nicht veranschaulichten) sekundären Verbrennungssystems einer Gasturbine 10, wie beispielsweise eines späten mageren Einspritzsystems oder eines mageren Direkteinspritzsystems, auftreten.
Gemäß einem Aspekt des vorliegenden Gegenstands veranschaulichen 4–6 Ausführungsformen eines Systems zur Erfassung und Kontrolle eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens innerhalb einer Brennkammer. Das System enthält wenigstens einen Flammenindikator 66 und wenigstens einen Detektor 68. Der Flammenindikator 66 kann im Inneren einer Brennkammer 16 angeordnet und konfiguriert sein, um Licht zu erzeugen, wenn er einer Flamme ausgesetzt ist. Der Detektor 68 kann stromabwärts von dem Flammenindikator 66 angeordnet und konfiguriert sein, um das von dem Flammenindikator 66 erzeugte Licht zu detektieren.
Allgemein kann der Flammenindikator 66 des vorliegenden Gegenstands jede beliebige Konfiguration aufweisen, die dem Indikator 66 ermöglicht, Licht zu erzeugen, wenn er einer Flamme ausgesetzt ist. An sich kann der Flammenindikator 66 verwendet werden, um durch Erzeugung eines detektierbaren Signaturlichts in Gegenwart einer Flamme auf das Vorliegen eines Flammenhalteereignisses hinzuweisen. In einer Ausführungsform, wie sie in 4 veranschaulicht ist, weist der Flammenindikator 66 eine mehrschichtige Anordnung aus einander abwechselnden Schutzschichten 70 und Nachweisschichten 72 auf. Jede Schutzschicht 70 kann konfiguriert sein, um in Gegenwart einer Flamme durch die Hitze abgetragen (ablatiert) zu werden, um so die darunter liegende Nachweisschicht 72 freizulegen. Die darunter liegende Nachweisschicht 72 kann konfiguriert sein, um, sobald sie frei liegt und einer Flamme ausgesetzt ist, Licht einer spezifischen Farbe zu erzeugen. Es sollte jedoch verstanden werden, dass der Flammenindikator 66 eine beliebige Anzahl von Schichten aufweisen kann. Z. B. kann der Flammenindikator 66, wie in 5 veranschaulicht, nur eine einzige Schutzschicht 70 und eine einzige Nachweisschicht 72 aufweisen.
Wie oben angegeben, kann/können die Schutzschicht(en) 70 des vorliegenden Gegenstandes konfiguriert sein, um in Gegenwart einer Flamme ablatiert zu werden. Z. B. kann/können die Schutzschicht(en) 70 konfiguriert sein, um schnell wegzuschmelzen oder wegzuoxidieren, wenn sie einer Flamme hoher Temperatur ausgesetzt ist/sind, um die darunter liegende Nachweisschicht 72 freizulegen. Somit kann/können die Schutzschicht(en) 70 aus jedem beliebigen Material aufgebaut sein, das in der Lage ist, normalen Betriebstemperaturen innerhalb der Bereiche einer Brennkammer 16, die nicht für Hochtemperaturen ausgelegt sind (z. B. dem Vormischringraum 60 oder dem den Quaternärbrennstoffstiften 40 benachbarten Bereich) zu widerstehen, jedoch ablatiert wird, wenn es infolge eines Flammenrückschlag- oder Flammenhalteereignisses höheren Temperaturen ausgesetzt ist. In einer Ausführungsform kann/können die Schutzschicht(en) 70 aus einem Metall mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt (z. B. rostfreiem Stahl 304, rostfreiem Stahl 316 oder Aluminium) oder einem temperaturfesten Anstrich (z. B. einem temperaturfesten Anstrich auf Aluminiumoxidbasis) aufgebaut sein, der in Gegenwart einer Flamme schell abschmilzt oder oxidiert.
Außerdem kann jede Schutzschicht 70 durch jedes beliebige geeignete Mittel auf eine Nachweisschicht 72 aufgetragen werden kann, so dass die Schutzschicht 70 eine Schutzbeschichtung für jede Nachweisschicht ergibt. Z. B. kann/können die Schutzschicht(en) 70 auf die Nachweisschicht 72 aufgestrichen, aufgespritzt oder (z. B. durch Galvanisierung) aufplattiert sein. Da es wünschenswert sein kann, dass jede Schutzschicht 70 in Gegenwart einer Flamme schnell ablatiert wird, kann/können die Schutzschicht(en) 70 außerdem in Form einer relativ dünnen Beschichtung aufgebracht werden. Z. B. kann in einer Ausführungsform die Dicke der Schutzschicht(en) 70 weniger als 0,005 cm, beispielsweise weniger als 0,003 cm, betragen. Jedoch sollte es verständlich sein, dass die gewünschte Dicke der Schutzschicht(en) 70 in Abhängigkeit von zahlreichen Faktoren, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, dem zur Herstellung der Nachweisschicht verwendeten Material und den Betriebstemperaturen einer bestimmten Gasturbine 10, deutlich variieren kann.
Sobald eine Schutzschicht 70 derart abgetragen bzw. ablatiert worden ist, dass eine darunter liegende Nachweisschicht 72 einer Flamme ausgesetzt ist, kann/können die Nachweisschicht(en) 72 des vorliegenden Gegenstandes allgemein konfiguriert sein, um Licht einer bestimmten Farbe zu erzeugen. Somit kann/können die Nachweisschicht(en) 72 aus einem beliebigen Metall, Metallsalz oder einer sonstigen Verbindung aufgebaut sein, die, wenn sie einer Flamme ausgesetzt ist, über Chemolumineszenz Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich erzeugt. Z. B. kann die Nachweisschicht 72 Natrium enthalten, so dass ein gelbfarbenes Licht erzeugt wird, wenn die Schicht einer Flamme ausgesetzt ist. Alternativ kann die Nachweisschicht 72 Kobalt enthalten, um ein blaufarbenes Licht zu erzeugen. Es sollte ohne weiteres verstanden werden, dass verschiedene Kombinationen von Metallen, Metallsalzen oder Verbindungen derart ausgewählt werden können, dass eine Nachweisschicht 72, wenn sie einer Flamme ausgesetzt ist, Licht einer beliebigen gewünschten Farbe erzeugen kann. Außerdem kann die Dicke jeder Nachweisschicht 72 in Abhängigkeit von der gewünschten Dauer des Erfassungsereignisses variieren. Z. B. kann die Nachweisschicht 72 eine bestimmte Dicke haben, um so mehrere Minuten lang Licht zu erzeugen, wenn sie bei maximalen Betriebsdrücken und -temperaturen in einer Brennkammer 16 einer Flamme ausgesetzt ist.
Der geschichtete Flammenindikator 66, wie er vorstehend erläutert ist, kann allgemein an jeder beliebigen Stelle in einer Brennkammer 16 angeordnet sein. Insbesondere kann es erwünscht sein, dass ein Flammenindikator 66 an irgendeiner Stelle in einer Brennkammer 16 angeordnet wird, die Flammenrückschlag- und Flammenhaltebedingungen ausgesetzt sein kann. Demgemäß sollte verstanden werden, dass das System des vorliegenden Gegenstandes mehrere Flammenindikatoren 66 aufweisen kann, die an verschiedenen Stellen in einer Brennkammer 16 positioniert sind. Z. B. kann ein Flammenindikator 66 in jeder Vormischbrennstoffdüsenanordnung 28 innerhalb einer Gasturbine 10, von denen eine in 5 veranschaulicht ist, angeordnet sein. Somit können, bezugnehmend auf die in 3 veranschaulichte Brennkammeranordnung, sechs Flammenindikatoren 66 in allen Brennkammern 16 einer Gasturbine 10 angeordnet sein. An sich kann, wenn eine Störung der Brennstoffzufuhr, eine Störung der Luftströmung, ein Schwall von brennbaren Flüssigkeiten oder irgendein sonstiges Ereignis auftritt, das einen Rückschlag der Flamme in den Brennraum 36 und ein Flammenhalten innerhalb einer Brennstoffdüsenanordnung 28 verursacht, die dünne Schutzschicht 70 des Flammenindikators 66 wegschmelzen, um die Nachweisschicht 72 freizulegen, die sofort ein Signaturfarblicht erzeugen kann.
Wie in 5 veranschaulicht, kann der Flammenindikator 66 gemäß dem vorliegenden Gegenstand in einer Brennstoffdüsenanordnung 28 als ein Ring um den Umfang des Innendurchmessers des äußeren Brennerrohrs 62 herum installiert sein, um das Vorliegen einer Flamme in dem Vormischringraum 60 anzuzeigen. Es kann auch einen Detektor 68 stromabwärts von dem Flammenindikator 66 angeordnet sein, was in größeren Einzelheiten nachstehend erläutert ist. Der Flammenindikator 66 kann in der Brennstoffdüsenanordnung 28 durch beliebige, für Fachleute auf dem Gebiet allgemein bekannte Mittel gesichert sein. Z. B. kann der Flammenindikator 66 durch Anschweißen oder Anlöten an eine Oberfläche des Vormischringraums 60 gesichert sein. Außerdem sollte verstanden werden, dass ein Flammenindikator 66 an jeder beliebigen Stelle innerhalb einer Brennstoffdüsenanordnung 28 angeordnet sein kann und dass mehr als ein einziger Flammenindikator 66 in jeder Brennstoffdüsenanordnung 28 eingebaut sein kann. Z. B. kann ein Flammenindikator 66 rings um den Umfang des Außendurchmessers des inneren Brennerrohrs 64 installiert sein und/oder benachbart zu den Brennstoffeinspritzöffnungen 58 an den Luftverwirblerschaufeln 56 eingebaut sein. Außerdem sollte verstanden werden, dass der Flammenindikator 66 gemäß dem vorliegenden Gegenstand nicht ringförmig gestaltet sein muss, sondern allgemein jede beliebige Gestalt aufweisen kann, um dem Indikator 66 zu ermöglichen, an einer gewünschten Stelle eingebaut zu werden.
Außerdem können, wie in 6 veranschaulicht, ein oder mehrere Flammenindikatoren 66 auch an den verschiedenen Komponenten den Quartärbrennstoffsystems 38 oder benachbart zu diesen positioniert sein. Z. B. können Flammenindikatoren 66 an der Strömungspfadfläche des Quartärbrennstoffsystems 38, an dem Quartärstift 40 oder an (nicht veranschaulichten) Brennstoffleitschaufeln unmittelbar stromabwärts von dem Quartärbrennstoffsystem 38 angeordnet sein, um das Vorliegen eines Flammenrückschlags oder Flammenhaltens anzuzeigen.
Wie zuvor erwähnt, umfasst das System gemäß dem vorliegenden Gegenstand ferner wenigstens einen Detektor 68, der stromabwärts von dem/den Flammenindikator(en) 66 angeordnet ist und der konfiguriert sein kann, um das von dem/den Indikator(en) 66 erzeugte Licht zu detektieren. Wie in den 5 und 6 veranschaulicht, kann der Detektor 68 in dem Brennkammerflammrohr 32 stromabwärts von den Vormischbrennstoffdüsenanordnungen 28 montiert sein, so dass der gesamte Brennraum 36, und insbesondere der Austritt jeder Brennstoffdüsenanordnung 28, innerhalb des Sichtfeldes des Detektors liegt. Auf diese Weise kann jedes Licht, das durch einen stromaufwärts positionierten Flammenindikator 66 erzeugt wird, von dem Detektor 68 erfasst werden. Jedoch sollte verstanden werden, dass der Detektor 68 an einer beliebigen Stelle stromabwärts von einem Flammenindikator 66 positioniert sein kann und nicht in der in den 5 und 6 veranschaulichten Weise positioniert oder eingerichtet sein muss. Außerdem kann der Detektor 68 allgemein jede beliebige Vorrichtung oder Einrichtung aufweisen, die in der Lage ist, durch einen oder mehrere Flammenindikatoren 66 erzeugtes Licht zu erfassen oder zu detektieren. Z. B. kann der Detektor 68 einen optischen Detektor mit einem Bandpassfilter, ein Spektrometer, eine Kamera, einen Ultraviolettflammendetektor, einen Infrarotdetektor oder jede beliebige sonstige geeignete Vorrichtung zur Erfassung eines geeigneten Lichtes, wie sie für Fachleute auf dem Gebiet bekannt ist, aufweisen.
In einer Ausführungsform, wie sie in 6 veranschaulicht ist, kann der Detektor 68 mit einem Turbinensteuersystem 74 in Kommunikationsverbindung stehen, das konfiguriert ist um festzustellen, ob in einer Brennkammer 16 ein Flammhalteereignis vorliegt. Z. B. kann jede Brennkammer 16 in einer Gasturbine 10 mehrere Flammenindikatoren 66 und wenigstens einen Detektor 68 enthalten. Wenn der Detektor 68 innerhalb einer bestimmten Brennkammer 16 durch einen der Flammenindikatoren 66 erzeugtes Licht detektiert, kann er konfiguriert sein, um ein Signal zu dem Turbinensteuersystem 74 zu übertragen. Dieses Signal kann das Steuersystem 74 benachrichtigen, dass gegebenenfalls ein Flammenhalteereignis in der Brennkammer 16 auftritt. Das Steuersystem 74 kann anschließend konfiguriert sein, um die Gasturbinenbetriebsbedingungen, Surrogate für den Brennstoffdruck und sonstige Informationen, die ein Flammenhalten kennzeichnen können (z. B. den dynamischen Druck innerhalb der Brennkammer 16 und die Austrittstemperaturverteilungen) auszuwerten um festzustellen, ob das durch den Flammenindikator 66 erzeugte Licht das Ergebnis eines Flammenhalteereignisses oder einfach eine Falschmeldung (z. B. aufgrund eines augenblicklichen Flammenrückschlagereignisses) war. Um die Vornahme dieser Feststellung zu erleichtern, kann das Turbinensteuersystem 74 programmiert sein, um die von einer Brennkammer 16 erfassten. Informationen mit einer vorbestimmten Flammhaltegrenze zu vergleichen. Diese Grenze kann durch eine Übertragungsfunktion bestimmt sein und kann in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Gasturbine 10, dem Betriebsmodus der Gasturbine 10, der Art des verwendeten Brennstoffs und zahlreichen weiteren Faktoren variieren. In dem Fall, dass eine vorbestimmte Flammhaltegrenze überschritten worden ist, kann das Steuersystem 74 dann konfiguriert sein, um eine Korrekturmaßnahme durchzuführen, um das Flammhalteereignis anzuhalten und eine Beschädigung an der Gasturbine 10 zu verhindern. Z. B. kann die Korrekturmaßnahme ein Abschalten der Gasturbine 10 oder einfach eine Reduktion eines Brennstoffstroms in der Gasturbine 10 aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das System gemäß dem vorliegenden Gegenstand derart konfiguriert sein, dass der die Störung erregende Brennstoffkreislauf (d. h. der Kreislauf, der Brennstoff zu der Stelle liefert, an der gegebenenfalls das Flammenhalteereignis austritt) festgestellt werden kann. Z. B. kann jede Brennkammer 16 in einer Gasturbine 10 einen oder mehrere Flammenindikatoren 66, die in jeder Vormischbrennstoffdüsenanordnung 28 (5) angeordnet sind, und einen oder mehrere Flammenindikatoren 66 enthalten, die an oder benachbart zu den Komponenten des Quartärbrennstoffsystems 38 (6) angeordnet sind. Die Flammenindikatoren 66 können konfiguriert sein, um Licht einer spezifischen Farbe zu erzeugen, die variieren kann, um einem der Brennstoffkreisläufe innerhalb einer Gasturbine zu entsprechen. Somit können in einer Ausführungsform die Flammenindikatoren 66, die in den Brennstoffdüsenanordnungen 28 angeordnet sind, die durch den Brennstoffkreislauf PM1 mit Brennstoff versorgt werden, konfiguriert sein, um in Gegenwart einer Flamme ein bestimmtes Farblicht, beispielsweise ein Blaulicht, zu erzeugen. Ähnlich können die Flammenindikatoren 66, die in den Brennstoffdüsenanordnungen 28 angeordnet sind, die durch die Brennstoffkreisläufe PM2 und PM3 mit Brennstoff versorgt werden, konfiguriert sein, um Licht einer anderen Farbe, beispielsweise rot bzw. gelb, zu erzeugen. Ferner können die Flammenindikatoren 66, die an oder benachbart zu den Komponenten des Quartärbrennstoffsystems 38 angeordnet sind, ein andersfarbiges Licht, beispielsweise grünes Licht, erzeugen.
Diese Konfiguration kann dem System gemäß dem vorliegenden Gegenstand ermöglichen, durch Unterscheidung sowohl der Brennkammer 16, in der das Flammenhalteereignis gegebenenfalls auftritt, und auch des die Störung erregenden Brennstoffkreislaufs das Flammenhalten effektiv zu detektieren und zu kontrollieren. Insbesondere kann das Turbinensteuersystem 74 konfiguriert sein, um das von dem Detektor 68 übertragene Signal zu analysieren, um die spezielle Farbe des durch den Detektor 68 erfassten Lichts zu bestimmen. Wenn ein Detektor 68 farbiges Licht, das einem bestimmten Brennstoffkreislauf entspricht, erfasst, kann somit das Turbinensteuersystem 74 konfiguriert sein, um eine lediglich für den die Störung erregenden Brennstoffkreislauf gerichtete Korrekturmaßnahme durchzuführen.
Es sollte verstanden werden, dass die durch das Turbinensteuersystem 74 durchgeführte Korrekturmaßnahme allgemein jede Maßnahme aufweisen kann, die vorgesehen ist, um ein Flammhalteereignis zu eliminieren. In einer Ausführungsform kann die Korrekturmaßnahme eine Reduktion der Brennstoffmenge enthalten, die durch den die Störung erregenden Brennstoffkreislauf strömt. Dies kann bewerkstelligt werden, indem entweder der Brennstoffdurchfluss durch den die Störung erregenden Brennstoffkreislauf reduziert wird, ohne dass die Menge des durch die anderen Kreisläufe strömenden Brennstoffs angepasst wird, wodurch die gesamte Menge des den Brennkammern 16 zugeführten Brennstoffs reduziert wird, oder indem der Anteil der Brennstoffströmung zu den anderen Brennstoffkreisläufen angepasst wird, um die Reduktion des durch den die Strömung erregenden Brennstoffkreislauf strömenden Brennstoffs zu berücksichtigen. In einer anderen Ausführungsform kann die Korrekturmaßnahme eine Unterbrechung der Brennstoffzufuhr zu dem die Störung erregenden Brennstoffkreislauf enthalten. Wenn eine derartige Maßnahme durchgeführt wird, können die Turbinenbetreiber oder das Turbinensteuersystem 74 anschließend eine weitere Vorgehensweise, wie beispielsweise das Halten der Brennstoffmenge, bis sie zur Abschaltung der Gasturbine 10 passend ist, oder ein Wiederbeliefern des Kreislaufs um zu sehen, ob sich das Flammenhalteereignis aufgelöst hat, bestimmen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Korrekturmaßnahme ein Abschalten der Maschine enthalten um sicherzustellen, dass eine Beschädigung an der Gasturbine 10 auf ein Minimum reduziert wird.
Außerdem sollte verstanden werden, dass der vorliegende Gegenstand ferner eine Gasturbine 10 umfasst, die in der Lage ist, einen Flammenrückschlag und ein Flammenhalten in einer Brennkammer 16 zu erfassen und zu kontrollieren. Die Gasturbine kann einen Verdichterabschnitt 12 enthalten, der konfiguriert ist, um in die Gasturbine 10 einströmende Luft unter Druck zu setzen. Ein Brennkammerabschnitt 14 kann stromabwärts von dem Verdichterabschnitt 12 angeordnet und konfiguriert sein, um die aus dem Verdichterabschnitt 12 ausgegebene Luft aufzunehmen. Der Brennkammerabschnitt 14 kann mehrere Brennkammern 16 aufweisen, die konfiguriert sind, um die unter Druck gesetzte Luft mit Brennstoff zu vermischen, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu bilden, und das Luft/Brennstoff-Gemisch zu verbrennen. Ein Turbinenabschnitt 18 kann stromabwärts von dem Brennkammerabschnitt 14 angeordnet und konfiguriert sein, um aus jeder der Brennkammern 16 ausströmende heiße Verbrennungsgase aufzunehmen. Außerdem kann die Gasturbine 10 das vorstehend beschriebene und hierin veranschaulichte System enthalten.
Es sollte ferner verstanden werden, dass der vorliegende Gegenstand ein Verfahren zum Erfassen und Kontrollieren eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer 16 einer Gasturbine 10 umfasst. Das Verfahren enthält allgemein die Schritte des Anzeigens des Vorliegens eines Flammhalteereignisses in einer Brennkammer 16 durch Erzeugung von Licht einer bestimmten Farbe, Erfassen des erzeugten Lichts, Benachrichtigen eines Gasturbinensteuersystems 74 über das erfasste Licht und Feststellen, ob in der Brennkammer 16 ein Flammenhalteereignis vorliegt.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn die äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Es ist ein System zur Erfassung und Kontrolle eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer 16 einer Gasturbine 10 geschaffen. Das System enthält wenigstens einen Flammenindikator 66, der in einer Brennkammer 16 angeordnet ist, und wenigstens einen Detektor 68, der stromabwärts von dem Flammenindikator 66 angeordnet ist. Der Flammenindikator 66 kann konfiguriert sein, um Licht zu erzeugen, wenn er einer Flamme ausgesetzt ist, und der Detektor 68 kann konfiguriert sein, um das durch den Flammenindikator 66 erzeugte Licht zu detektieren.

Claims

System zur Erfassung und Kontrolle eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer (16) einer Gasturbine (10), wobei das System aufweist: wenigstens einen Flammenindikator (66), der in einer Brennkammer (16) einer Gasturbine (10) angeordnet ist, wobei der wenigstens eine Flammenindikator (66) konfiguriert ist, um Licht zu erzeugen, wenn er einer Flamme ausgesetzt ist; und wenigstens einen Detektor (68), der stromabwärts von dem wenigstens einen Flammenindikator (66) angeordnet ist, wobei der wenigstens, eine Detektor (68) konfiguriert ist, um das durch den wenigstens einen Flammenindikator (66) erzeugte Licht zu erfassen.
System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der wenigstens eine Flammenindikator (66) wenigstens eine Schutzschicht (70) und wenigstens eine Nachweisschicht (72) aufweist, wobei die wenigstens eine Schutzschicht (70) konfiguriert ist, um in Gegenwart einer Flamme ablatiert zu werden, um so die wenigstens eine Nachweisschicht (72) freizulegen, wobei die wenigstens eine Nachweisschicht (72) konfiguriert ist, um Licht einer bestimmten Farbe zu erzeugen, wenn sie einer Flamme ausgesetzt ist.
System nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Flammenindikator (66) mehrere Schutzschichten (70) und mehrere Nachweisschichten (72) aufweist.
System nach Anspruch 2, das ferner mehrere Flammenindikatoren (66) aufweist, die in der Brennkammer (16) angeordnet sind, wobei die bestimmte Farbe des Lichts, das durch die wenigstens eine Nachweisschicht (72) jedes der mehreren Flammenindikatoren (66) erzeugt wird, variieren kann, um einem der mehreren Brennstoffkreisläufe (PM1, PM2, PM3, Q) in der Gasturbine (10) zu entsprechen.
System nach Anspruch 4, wobei einer der mehreren Flammenindikatoren (66) in jeder der mehreren Brennstoffdüsenanordnungen (28) der Brennkammer (16) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Flammenindikator (66) in wenigstens einer Brennstoffdüsenanordnung (28) der Brennkammer (16) angeordnet ist oder an oder benachbart zu einer Komponente eines Quartärbrennstoffsystems (38) der Brennkammer (16) angeordnet ist.
System nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das ferner ein Turbinensteuersystem (74) in Kommunikationsverbindung mit dem wenigstens einen Detektor (68) aufweist, wobei das Turbinensteuersystem (74) konfiguriert ist um festzustellen, ob in einer Brennkammer (16) ein Flammenhalteereignis vorliegt.
Gasturbine (10), die in der Lage ist, einen Flammenrückschlag und ein Flammenhalten in einer Brennkammer (16) zu erfassen und zu kontrollieren, wobei die Gasturbine aufweist: einen Verdichterabschnitt (12), der konfiguriert ist, um Luft unter Druck zu setzen, die in eine Gasturbine (10) einströmt; einen Brennkammerabschnitt (14), der stromabwärts von dem Verdichterabschnitt (12) angeordnet und konfiguriert ist, um die unter Druck gesetzte Luft, die aus dem Verdichterabschnitt (12) ausgegeben wird, zu empfangen, wobei der Brennkammerabschnitt (14) mehrere Brennkammern (16) aufweist, die konfiguriert sind, um die unter Druck gesetzte Luft mit Brennstoff zu vermischen, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu bilden, und das Luft/Brennstoff-Gemisch zu verbrennen; einen Turbinenabschnitt (18), der stromabwärts von dem Brennkammerabschnitt (14) angeordnet ist, wobei der Turbinenabschnitt (18) konfiguriert ist, um aus jeder der mehreren Brennkammern (16) strömende heiße Verbrennungsgase zu empfangen; ein System zur Erfassung und Kontrolle eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in wenigstens einer der mehreren Brennkammern (16), wobei das System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
Verfahren zum Erfassen und Kontrollieren eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens in einer Brennkammer (16) einer Gasturbine (10), wobei das Verfahren aufweist: Anzeigen des Vorliegens eines Flammenhaltens in einer Brennkammer (16) durch Erzeugung von Licht einer spezifischen Farbe; Erfassen des erzeugten Lichts; Benachrichtigen eines Gasturbinensteuersystems (74) über das erfasste Licht; und Feststellen, ob in der Brennkammer (16) ein Flammenhalten vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner ein Analysieren der spezifischen Farbe des erzeugten Lichts aufweist, um einen eine Störung erregenden Brennstoffkreislauf (PM1, PM2, PM3, Q) zu unterscheiden, und Durchführen einer Korrekturmaßnahme in dem Fall, dass eine vorbestimmte Flammenhaltegrenze überschritten worden ist.