DE102011052589A1

DE102011052589A1 - Brennkammerübergangsstück mit Verdünnungshülsen und verwandte Verfahren

Info

Publication number: DE102011052589A1
Application number: DE102011052589A
Authority: DE
Inventors: Richard William Johnson; Bryan Wesley Romig; Crystal McGee McConnaughhay
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2012-02-16
Also published as: US20120036859A1; CN102373964A; JP2012041921A; CH703594A2

Abstract

Zu einem Gasturbinenübergangsstück (14), das dazu eingerichtet ist, Verbrennungsgase in einem Heißgaspfad zu befördern, der sich zwischen einer Gasturbinenbrennkammer und einer ersten Stufe (16) der Gasturbine erstreckt, gehört ein hohler Kanal mit einem vorderen Ende (18), das dazu eingerichtet ist, mit einer Brennkammerwand (10) verbunden zu werden, und mit einem hinteren Ende (20), das dazu eingerichtet ist, mit einem Leitapparat der ersten Stufe verbunden zu werden. Ein oder mehrere Verdünnungsluftlöcher (22, 24) sind in der Nähe des vorderen Endes angeordnet, wobei jedes der Verdünnungslöcher mit einer hohlen Hülse (26) ausgestattet ist, die in den Heißgaspfad in dem hohlen Kanal eindringt, wobei die hohlen Hülsen dazu eingerichtet sind, Kühlluft in den Heißgaspfad einzuspeisen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenverbrennungstechnologie und spezieller eine Übergangsstückkonstruktion, die ein gleichmäßiges Kühlen heißer Gase unterstützt, die durch das Übergangsstück zu der Turbine strömen.
Es ist allgemein bekannt, dass in Gasturbinen, die herkömmliche Kohlenwasserstoffbrennstoffe verbrennen, gewöhnlich luftverschmutzende Emissionen erzeugt werden. Diese Emissionen sind gewöhnlich Stickstoffoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Es ist ebenfalls hinlänglich bekannt, dass eine Korrosion molekularen Stickstoffs von der Temperatur der durch die Turbinenbrennkammer erzeugten heißen Gase abhängt, die durch ein Übergangsstück zu dem Leitapparat der ersten Stufe strömen. Die Verweildauer für die Reaktionspartner bei diesen hohen Temperaturen ist ebenfalls ein Faktor in der Entstehung der unerwünschten Emissionen.
Vielfältige Konzepte wurden bisher vorgeschlagen und genutzt, indem entweder die Reaktionszonentemperaturen unterhalb des Pegels gehalten wurden, bei dem thermisches NO_x entsteht, oder indem die Verweildauer bei hohen Temperaturen reduziert wird, so dass die Zeit für ein Voranschreiten der NO_x-Bildungsreaktion nicht ausreicht, oder beides. Ein Verfahren zum Verringern der Temperatur der Reaktionspartner in der Brennkammer basiert darauf, vor der Verbrennung ein mageres Gemisch von Brennstoff und Luft zu erzeugen. Daher wird häufig in der Brennkammerwand Verdünnungsluft bereitgestellt, um Wärme zu absorbieren und den Temperaturanstieg auf ein Niveau zu reduzieren, bei dem kein thermisches NO_x entsteht. Häufig reichen die Temperaturen allerdings auch unter Verwendung eines mageren Brennstoff/Luft-Vorgemisches aus, um unerwünschte Emissionen hervorzubringen.
Verdünnungsluft wurde bisher in dem Übergangsstück zwischen der Brennkammer und dem Leitapparat der ersten Stufe bereitgestellt. Beispielsweise wurden in einer Konstruktion aus dem Stand der Technik Verdünnungslöcher an beiden Enden des Übergangsstücks vorgesehen. Allerdings sind unerwünschte Emissionen weiterhin problematisch, und es wäre daher erwünscht, eine Übergangsstückkonstruktion zu schaffen, die ein wirkungsvolleres und gleichmäßiges Kühlen von zwischen der Turbinenbrennkammer und der ersten Turbinenstufe strömenden Verbrennungsgasen fördert.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem exemplarischen jedoch nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel gehören zu einem Gasturbinenübergangsstück, das dazu eingerichtet ist, Verbrennungsgase in einem Heißgaspfad zu befördern, der sich zwischen einer Gasturbinenbrennkammer und einer ersten Stufe der Gasturbine erstreckt: ein hohler Kanal mit einem vorderen Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Brennkammerwand verbunden zu werden, und mit einem hinteren Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einem Leitapparat der ersten Stufe verbunden zu werden; ein oder mehrere Verdünnungsluftlöcher, die in der Nähe des vorderen Endes und im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei das eine oder die mehreren Verdünnungslöcher sämtliche mit einer hohlen Hülse ausgestattet sind, die in den Heißgaspfad in dem hohlen Kanal eindringt, wobei die hohle Hülse dazu eingerichtet ist, Kühlluft in den Heißgaspfad einzuspeisen.
In einem anderen nicht beschränkenden Aspekt gehören zu einem Gasturbinenübergangsstück, das dazu eingerichtet ist, Verbrennungsgase in einem Heißgaspfad zu befördern, der sich zwischen einer Gasturbinenbrennkammer und einer ersten Stufe der Gasturbine erstreckt: ein hohler Kanal mit einem im Wesentlichen zylindrischen vorderen Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Brennkammerwand verbunden zu werden, und mit einem hinteren Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einem Leitapparat der ersten Stufe verbunden zu werden; ein oder mehrere Verdünnungsluftlöcher, die in der Nähe des vorderen Endes und im Wesentlichen einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sämtliche Verdünnungslöcher mit einer im Wesentlichen zylindrischen hohlen Hülse ausgestattet sind, die in den Heißgaspfad in dem hohlen Kanal eindringt, wobei die im Wesentlichen zylindrische hohle Hülse an einem Auslassende davon einen schrägen Kante aufweist.
In noch einem weiteren nicht beschränkenden Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Fördern einer einheitlichen Temperatur in einem Gasturbinenübergangsstück, das sich zwischen einer Gasturbinenbrennkammer und einer ersten Stufe der Gasturbine erstreckt, wobei zu dem Übergangsstück ein hohler Kanal gehört, der ein vorderes Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Brennkammerwand verbunden zu werden, und ein hinteres Ende aufweist, das dazu eingerichtet ist, mit einem Leitapparat der ersten Stufe verbunden zu werden, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: Bereitstellen eines oder mehrerer Kühlluftverdünnungslöcher in dem Übergangsstück; und Einsetzen einer Hülse in das eine oder in jedes der mehreren Kühlluftverdünnungslöcher, wobei jede Hülse in einen Innenraum des hohlen Kanals eindringt, so dass sich dadurch im Betrieb Kühlluft mit heißen Gasen in dem hohlen Kanal gleichmäßiger vermischen kann, um eine verbesserte Einheitlichkeit der Temperatur in dem Übergangsstück zu erzielen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine vereinfachte partielle, auseinandergezogene Explosionszeichnung eines Abschnitts einer Gasturbine einschließlich eines Längsschnitts eines Übergangsstücks, das eine Verdünnungshülse nutzt, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 veranschaulicht die in 1 gezeigte Verdünnungshülse in einer vergrößerten Detailansicht; und
3 zeigt eine Schnittansicht längs der Schnittlinie 3-3 nach 1, jedoch mit einer hinzugefügten zweiten Verdünnungshülse.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Indem nun auf 1 eingegangen wird, weist eine herkömmliche Turbinenbrennkammerwand 10 einen im Wesentlichen zylindrischen, segmentierten Grundkörper mit einem (nicht gezeigten) vorderen Ende und einem hinteren Ende 12 auf. Das vordere Ende ist gewöhnlich durch eine Brennkammerwandkappe geschlossen, an der außerdem eine oder mehrere (nicht gezeigte) Brennstoffeinspritzdüsen befestigt sind, die dazu dienen, der Brennkammer innerhalb der Brennkammerwand Brennstoff zuzuführen. Das hintere Ende 12 der Brennkammerwand ist gewöhnlich an einem rohrförmigen Übergangsstück 14 gesichert, das der ersten Stufe 16 der Turbine die heißen Verbrennungsgase zuführt.
In einem exemplarischen, jedoch nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Gasturbinenübergangsstück 14 als ein hohler Kanal gestaltet, der ein vorderes Ende 18, das dazu eingerichtet ist, mit der Brennkammerwand verbunden zu werden, und ein hinteres Ende 20 aufweist, das dazu eingerichtet ist, mit dem Leitapparat der ersten Stufe verbunden zu werden. Die Weise, in der das Übergangsstück 14 an seinen gegenüberliegenden Enden angeschlossen wird, ist gut verstanden und bedarf hierin keiner weiteren Erläuterung. Gemäß einem exemplarischen jedoch nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel sind in dem Übergangsstück bzw. dem hohlen Kanal 14 in der Nähe oder benachbart zu dem vorderen Ende 18 des hohlen Kanals und in einer Umfangsrichtung im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet (siehe 3) eine oder mehrere Verdünnungsluftlöcher 22, 24 (siehe 2 und 3) ausgebildet. Die Verdünnungslöcher 22, 24 sind sämtliche mit einer hohle Verdünnungshülse 26 ausgestattet, die in das Innere des hohlen Kanals 14 und somit, wie durch den Strömungspfeil P angezeigt, im Betrieb in den Heißgaspfad eindringt. Diese Verdünnungshülsen 26 sind dazu eingerichtet, Kühlluft (z. B. Verdichterluft) tief in die heißen Gase in dem Heißgaspfad einzuspeisen. Die hohlen Verdünnungshülsen 26 können durch Schweißen oder sonstige geeignete Mittel an Ort und Stelle befestigt werden (beispielsweise indem eine Büchse in dem Verdünnungsloch mit einer Schulter ausgebildet ist, die dazu eingerichtet ist, einen ringförmigen Flansch bzw. eine Schulter an der Hülse aufzunehmen). Die Oberflächen der Verdünnungshülsen 26, insbesondere die Außenflächen, können mit einer Wärmebarrierenbeschichtung beschichtet sein, um die Verdünnungshülsen vor dem heißen Gas in dem Übergangsstück bzw. dem hohlen Kanal 14 zu schützen.
Mit speziellem Bezug auf 2 kann jede hohle Hülse 26 im Wesentlichen zylindrisch oder aerodynamisch gestaltet sein und ein Einlassende 28 und ein Auslassende 30 aufweisen. Das Einlassende 28 kann, wie bei 32 gezeigt, abgefast sein, um einen gleichmäßigeren Strom in die Hülse zu erzielen, und das Auslassende kann geradlinig oder mit einer kegelig zulaufenden oder schrägen Kante 34 ausgebildet sein, die ein tieferes Eindringen in den Heißgaspfad erlaubt. Eine Innenfläche 36 jeder hohlen Hülse ist mit wenigstens einer und vorzugsweise mit mehreren ringförmigen Turbulatorringen 38 ausgebildet, die, wie am besten in 2 zu sehen, in Längsrichtung der Hülse axial beabstandet angeordnet sind.
In dem exemplarischen jedoch nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel kann jede der hohle Verdünnungshülsen 26 eine Länge von etwa 3 Zoll aufweisen, mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von zwischen etwa 1,5 und 2,0. Die schräge Kante 34 kann sich in der Strömungsrichtung unter einem Winkel von weniger als zwanzig (20) Grad (z. B. zwölf (12) Grad) in Bezug auf die Turbinenlaufradachse nach innen erstrecken. Die mehreren axial beabstandeten Turbulatorringe 38 können einen im Wesentlichen quadratischen oder dreieckigen Querschnitt mit einer Höhe (d. h. dem Maß des radialen Vorsprungs in der Verdünnungshülse 26) von etwa 0,075 Zoll (oder zwischen etwa fünf und zehn Prozent des Innenradius der Hülse 26) aufweisen, und sie sind axial um zwischen etwa dem Fünf- bis Sechsfachen der Höhe des Turbulators (z. B. etwa 0,425 Zoll) in Längsrichtung der Hülse beabstandet.
Es ist einsichtig, dass Änderungen der Hülsenkonstruktion (einschließlich der Abmessungen) und der spezifizierten Position der Hülsen 26 an dem Übergangsstück 14 in den Schutzumfang der Erfindung fallen. Beispielsweise können die Hülsen 26 ovale, tropfenförmige, (mit Abströmkanten auf der stromabwärtigen Seite ausgebildete) strömungsflächenförmige oder sonstige geeignete Formen aufweisen, die keine übermäßigen mechanischen Spannungen oder heiße Stellen hervorrufen. Darüber hinaus könnten die Positionen des einen oder der mehreren Verdünnungslöcher 22, 24 ausgehend von der 12-Uhr und der 6-Uhr-Stellung, wie in 3 gezeigt, zu der 9-Uhr und 3-Uhr-Stellung oder zu sonstigen diametral gegenüberliegenden Stellen bewegt werden. Es wird gegenwärtig angenommen, dass die besten Ergebnissen erzielt werden, wenn die Verdünnungshülsen 26 diametral gegenüberliegend angeordnet sind, jedoch gibt es möglicherweise Anwendungen, bei denen diese Beziehung auch abweichen kann. Die Querschnittsformen und Abmessungen der Turbulatorringe 38 können in Zusammenhang mit speziellen Anwendungen ebenfalls variieren. Zuletzt sind die Verdünnungshülsen 26, obwohl sie benachbart zu einem vorderen Ende des Übergangsstücks 14 gezeigt sind, nicht auf diesen Ort beschränkt. Ein gegenwärtiges Verständnis der Erfindung legt nahe, dass ein Anordnen in wenigstens der vorderen Hälfte des Übergangsstücks 14 bevorzugt ist.
Es ist ebenfalls klar, dass die Erfindung sowohl in Neukonstruktionen als auch in Nachrüstungen genutzt werden kann. Im Falle einer Nachrüstung, bei der das Übergangsstück in einem nicht beschränkenden Beispiel gewöhnlich, wie in 3 an Stellen A, B und C angezeigt, drei kleinere Verdünnungslöcher aufweisen kann, würden zwei der drei vorhandenen Verdünnungslöcher (beispielsweise A und B) geschlossen, während die Öffnung an der Stelle C vergrößert würde, um ihre entsprechende Verdünnungshülse 26 aufzunehmen, und an Stelle D eine neue Öffnung gebohrt würde. Im Falle eines Neueinbaus würden ein oder mehrere Verdünnungslöcher, wie im Vorausgehenden beschrieben, an diametral gegenüberliegenden Stellen gebohrt werden. In beiden Fällen sollte die Gesamtquerschnittsfläche der beiden Verdünnungslöcher im Wesentlichen gleich der Querschnittsfläche der drei Verdünnungslöcher sein, die gegenwärtig in der früheren Konstruktion verwendet werden.
Während die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, von dem gegenwärtig angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, ist die Erfindung allerdings selbstverständlich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel zu beschränken, sondern soll vielmehr vielfältige Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Zu einem Gasturbinenübergangsstück 14, das dazu eingerichtet ist, Verbrennungsgase in einem Heißgaspfad zu befördern, der sich zwischen einer Gasturbinenbrennkammer und einer ersten Stufe 16 der Gasturbine erstreckt, gehört ein hohler Kanal mit einem vorderen Ende 18, das dazu eingerichtet ist, mit einer Brennkammerwand 10 verbunden zu werden, und mit einem hinteren Ende 20, das dazu eingerichtet ist, mit einem Leitapparat der ersten Stufe verbunden zu werden. Ein oder mehrere Verdünnungsluftlöcher 22,24 sind in der Nähe des vorderen Endes angeordnet, wobei jedes der Verdünnungslöcher mit einer hohlen Hülse 26 ausgestattet ist, die in den Heißgaspfad in dem hohlen Kanal eindringt, wobei die hohlen Hülsen dazu eingerichtet sind, Kühlluft in den Heißgaspfad einzuspeisen.
Bezugszeichenliste

10: Brennkammerwand
12: Hinteres Ende der Brennkammerwand
14: Übergangsstück
16: Erste Stufe
18: Vorderes Ende
20: Hinteres Ende des Übergangsstücks
22, 24: Luftlöcher
26: Verdünnungshülse
28: Hülseneinlassende
30: Hülsenauslassende
32: Einlassendewölbung
34: Kegelig zulaufende oder schräge Kante
36: Innenfläche
38: Turbulatorringe

Claims

Gasturbinenübergangsstück (14), das dazu eingerichtet ist, Verbrennungsgase in einem Heißgaspfad zu leiten, der sich zwischen einer Gasturbinenbrennkammer und einer ersten Stufe (16) der Gasturbine erstreckt, wobei zu dem Übergangsstück (14) gehören: ein hohler Kanal mit einem vorderen Ende, das dazu eingerichtet ist, mit einer Brennkammerwand (10) verbunden zu werden, und mit einem hinteren Ende (20), das dazu eingerichtet ist, mit einem Leitapparat einer ersten Stufe verbunden zu werden; sowie ein oder mehrere Verdünnungsluftlöcher (22, 24), die in der Nähe des vorderen Endes (18) und im Wesentlichen voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei das eine oder die mehreren Verdünnungsluftlöcher (22, 24) sämtliche mit einer hohlen Hülse (26) ausgestattet sind, die in den Heißgaspfad in dem hohlen Kanal eindringt, wobei die hohle Hülse (26) dazu eingerichtet ist, Kühlluft in den Heißgaspfad einzuspeisen.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 1, wobei jede hohle Hülse (26) im Wesentlichen zylindrisch oder aerodynamisch gestaltet ist.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 1, wobei jede hohle Hülse (26) an einem Auslassende (30) der hohlen Hülse mit einer geraden oder schrägen Kante (34) ausgebildet ist.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 2, wobei eine Innenfläche (36) jeder hohlen Hülse (26) mit wenigstens einem ringförmigen Turbulatorring (38) ausgebildet ist.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 4, wobei der wenigstens eine Turbulatorring (38) mehrere axial beabstandete Turbulatorringe beinhaltet.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 1, wobei das vordere Ende (18) des hohlen Kanals im Wesentlichen zylindrisch oder aerodynamisch gestaltet ist, und wobei die hohlen Hülsen (26) an Positionen in der Nähe des vorderen Endes angeordnet sind.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 2, wobei jede der hohlen Hülsen (26) ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von zwischen 1,5–2 aufweist.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 3, wobei sich die schräge Kante (34) in Bezug auf eine Rotorachse der Gasturbine in einer Richtung eines Gasstroms unter einem Winkel von (20) Grad oder weniger nach innen erstreckt.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 5, wobei die mehreren axial beabstandeten Turbulatorringe (38) einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweisen und sich um etwa zwischen fünf und zehn Prozent eines Innenradius der hohlen Hülse radial in die hohle Hülse (26) erstrecken.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 9, wobei die mehreren axial beabstandeten Turbulatorringe (38) zwischen dem Fünf- bis Sechsfachen der Höhe des Turbulators axial beabstandet sind.
Gasturbinenübergangsstück (14), das dazu eingerichtet ist, Verbrennungsgase in einem Heißgaspfad zu leiten, der sich zwischen einer Gasturbinenbrennkammer und einer ersten Stufe (16) der Gasturbine erstreckt, wobei zu dem Übergangsstück (14) gehören: ein hohler Kanal mit einem im Wesentlichen zylindrischen vorderen Ende (18), das dazu eingerichtet ist, mit einer Brennkammerwand (10) verbunden zu werden, und mit einem hinteren Ende (20), das dazu eingerichtet ist, mit einem Leitapparat einer ersten Stufe verbunden zu werden; sowie ein oder mehrere Verdünnungslöcher, die in der Nähe des vorderen Endes und im Wesentlichen voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei jedes der Verdünnungsluftlöcher (22, 24) mit einer hohlen Hülse (26) ausgestattet ist, die in den Heißgaspfad in dem hohlen Kanal eindringt, wobei die im Wesentlichen zylindrische hohle Hülse (26) an einem Auslassende davon eine schräge Kante (34) aufweist.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 11, wobei eine Innenfläche (36) jeder im Wesentlichen zylindrischen hohlen Hülse (26) mit wenigstens einem ringförmigen Turbulatorring (38) ausgebildet ist.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 12, wobei der wenigstens eine Turbulatorring (38) mehrere axial beabstandete Turbulatorringe beinhaltet.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 13, wobei sämtliche der mehreren axial beabstandeten Turbulatorringe (38) einen im Wesentlichen quadratischen oder dreieckigen Querschnitt aufweisen und sich radial um zwischen fünf und zehn Prozent eines Innenradius der im Wesentlichen zylindrischen hohlen Hülse in die Hülse (26) erstrecken.
Gasturbinenübergangsstück nach Anspruch 11, wobei jede der im Wesentlichen zylindrischen hohlen Hülsen (26) ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von zwischen 1,5–2 aufweist.