DE102011054553A1

DE102011054553A1 - Brennstoffdüse für eine Brennkammer

Info

Publication number: DE102011054553A1
Application number: DE102011054553A
Authority: DE
Inventors: Abdul Rafey Khan; Willy Steve Ziminsky; Christian Xavier Stevenson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2012-04-26
Also published as: FR2966561A1; CN102454993A; US20120096866A1; US8464537B2; JP2012088036A

Abstract

Geschaffen ist eine Düse (24) für eine Brennkammeranordnung (14). Die Düse (24) enthält einen zentralen Grundkörper (76), ein Brennerrohr (74), das um den zentralen Grundkörper (76) angeordnet ist, und das dazwischen einen Brennstoff/Luft-Mischkanal (72) definiert, und eine Außenumfangswand (78), die um das Brennerrohr (74) angeordnet ist und die dazwischen einen Luftkanal (80) definiert. Die Düse (24) enthält außerdem eine Düsenspitze (100), die mit dem zentralen Grundkörper (76) verbunden ist. Die Düsenspitze (100) enthält einen Zündbrennstoffkanal (90), der dazu eingerichtet ist, einer Verbrennungszone (114) einen Strom von Zündbrennstoff (92) zuzuführen, und mehrere Transferkanäle (94). Die mehreren Transferkanäle (94) sind dazu eingerichtet, einen Luftstrom (118) zur Verbrennung mit dem Zündbrennstoffstrom (92) in der Verbrennungszone (114) zuzuführen, und sie sind außerdem dazu eingerichtet, der Verbrennungszone (114) einen Strom von Transferbrennstoff (96) zuzuführen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Brennkammeranordnungen und spezieller Brennstoffdüsen in Brennkammern.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Gasturbinensysteme werden häufig auf Gebieten wie der Stromerzeugung eingesetzt. Ein herkömmliches Gasturbinensystem enthält einen Verdichter, eine Brennkammeranordnung und eine Turbine. In einem herkömmlichen Gasturbinensystem, wird der Brennkammer aus dem Verdichter stammende verdichtete Luft zugeführt. Die in die Brennkammer eintretende Luft wird mit Brennstoff vermischt und verbrannt. Heiße Verbrennungsgase strömen aus der Brennkammer zu der Turbine, um das Gasturbinensystem anzutreiben und Strom zu erzeugen.
Da die Vorschriften für die Emissionen von Gasturbinensystem verschärft wurden, basiert ein Ansatz zur Erfüllung derartiger Vorschriften darauf, in der Brennkammeranordnung in einem vollständig vorgemischten Betriebsmodus magere Brennstoff/Luft-Gemische zu verwenden, um Emissionen wie NO_x und CO zu verringern. Diese Brennkammeranordnungen sind aus dem Stand der Technik als Dry-Low-NO_x-(DLN)-, Trocken-Schadstoffreduzierte (DL) oder Mager-Vorgemisch-(LPM)-Verbrennungssysteme bekannt. Diese Brennkammeranordnungen enthalten gewöhnlich mehrere primäre Düsen, die mit Blick auf Mittel- und Niederlastbetriebsmodi der Brennkammer gezündet werden. Während vollständig vorgemischter Betriebsmodi führen die primären Düsen Brennstoff zu, um eine sekundäre Flamme zu speisen. Die primären Düsen sind gewöhnlich um eine sekundäre Düse angeordnet, die für Betriebsmodi mittlerer Last bis zu vollständig vorgemischten Betriebsmodi der Brennkammer genutzt wird.
Sekundäre Düsen erfüllen mehrere Funktionen in der Brennkammeranordnung, beispielsweise das Zuführen von Brennstoff für den vollständig vorgemischten Modus, das Zuführen von Brennstoff und Luft für eine Zündflamme, die den Primärdüsenbetrieb unterstützt, und das Bereitstellen von Transferbrennstoff zur Verwendung während der Wechsel zwischen Betriebsmodi. Im Zündbetriebsmodus wird Brennstoff für den Betrieb der Zündeinrichtung durch einen Zündbrennstoffkanal gelenkt, der gewöhnlich in dem Zentrum der Brennstoffdüse angeordnet ist, und es wird über mehrere Zündluftkanäle, die den Zündbrennstoffkanal umgeben, Luft zugeführt, um sie mit dem Zündbrennstoff zu vermischen. Während des Transferbetriebs der Brennstoffdüse wird durch eine Gruppe von Transferkanälen, die in der Düse getrennt von dem Zündbrennstoffkanal angeordnet sind, zusätzlicher Brennstoff als ein gesonderter Brennstoffstrom durch die Düse und in die Verbrennungszone gedrückt. Wenn sich die Düse nicht in dem Transfermodus befindet, basiert die gegenwärtige Praxis darauf, die Transferkanäle zu reinigen, indem Transferluft durch die Transferkanäle von Brennstoff geleitet wird. In diesem Betriebsmodus ist die Zündeinrichtung von diesem Strom von Spülluft niedrigerer Temperatur umgeben. Gesonderte Durchlasskanäle in der sekundären Düse für Zündbrennstoff, Transferbrennstoff und Luft sowie Zündluft bilden eine komplizierte Düseanordnung. Darüber hinaus ist die Zündeinrichtung der typischen Düse aufgrund der Konstruktion der Zündbrennstoff- und Luftkanäle hinsichtlich des Brennstoffs beschränkt, so dass Brennstoffe hoher Reaktivität in der Zündeinrichtung nicht verwendet werden können.
Darüber hinaus sind typische sekundäre Düsen aus dem Stand der Technik aufgrund von Flammenhalten ständig der Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt, wenn eine Flamme in oder benachbart der Düse gehalten wird. Da Brennstoffe mit hoher Reaktivität das Risiko von Flammhaltung erhöhen, ist die Verwendung hoch reaktiver Brennstoffe daher zusätzlich eingeschränkt.
Somit besteht auf diesem Gebiet ein Bedarf nach einer verbesserten sekundären Düse für ein Gasturbinensystem. Beispielsweise wäre eine sekundäre Düse von Vorteil, die eine einfache Konstruktion aufweist und mehrere Funktionen durchführen kann. Darüber hinaus würde eine sekundäre Düse vorteilhaft sein, die gegen eine dauerhafte Beschädigung aufgrund von Flammenhalten beständig ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung erörtert, oder können sich offensichtlich aus der Beschreibung ergeben, oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist eine Düse für eine Brennkammeranordnung in einem Gasturbinensystem offenbart. Zu der Düse gehören: ein zentraler Grundkörper; ein Brennerrohr, das um den zentralen Grundkörper angeordnet ist und das dazwischen einen Brennstoff/Luft-Mischkanal definiert; und eine Außenumfangswand, die um das Brennerrohr angeordnet ist und die dazwischen einen Luftkanal definiert. Die Düse enthält ferner eine Düsenspitze, die mit dem zentralen Grundkörper verbunden ist. Die Düsenspitze weist einen Zündbrennstoffkanal auf, der dazu eingerichtet ist, einer Verbrennungszone und mehreren Transferkanälen einen Strom von Zündbrennstoff zuzuführen. Die mehreren Transferkanäle sind dazu eingerichtet, einen Luftstrom zur Verbrennung mit dem Zündbrennstoffstrom in der Verbrennungszone zuzuführen, und sie sind außerdem dazu eingerichtet, der Verbrennungszone einen Strom von Transferbrennstoff zuzuführen.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche verständlicher. Die beigefügten Zeichnungen, die dieser Beschreibung einverleibt sind und einen Bestandteil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundzüge der Erfindung zu erläutern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und in die Praxis umsetzbare Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die den besten Modus der Erfindung beinhaltet und die an den Fachmann gerichtet ist, ist in der Beschreibung unterbreitet, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt:
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Gasturbinensystems gemäß der vorliegenden Beschreibung;
2 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Ausführungsbeispiel einer Brennkammer gemäß der vorliegenden Beschreibung;
3 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines Brennkammerkopfendes gemäß der vorliegenden Beschreibung;
4 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines Brennkammerkopfendes mit einer sekundären Brennstoffdüse gemäß der vorliegenden Beschreibung;
5 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Ausführungsbeispiel einer Spitze einer sekundären Brennstoffdüse gemäß der vorliegenden Beschreibung;
6 zeigt in einer Querschnittsansicht noch ein Ausführungsbeispiel einer Spitze einer sekundären Brennstoffdüse gemäß der vorliegenden Beschreibung;
7 bis 10 veranschaulichen in schematischen Ansichten den Betrieb einer Brennkammeranordnung gemäß vielfältigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
11 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht noch ein Ausführungsbeispiel eines Brennkammerkopfendes mit einer sekundären Brennstoffdüse gemäß der vorliegenden Beschreibung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, wobei einige Beispiele derselben in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Gegenstand oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, in Verbindung mit einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel hervorzubringen. Die vorliegende Erfindung soll daher solche Modifikationen und Abweichungen abdecken, soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten Formen fallen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinensystems 10 veranschaulicht. Das System 10 weist einen Verdichterabschnitt 12 auf, der dazu dient, ein Gas, z. B. Luft, das in das System 10 strömt, mit Druck zu beaufschlagen. Während das Gas hierin als Luft bezeichnet sein kann, ist es selbstverständlich, dass das Gas ein beliebiges Gas sein kann, das sich für den Einsatz in einem Gasturbinensystem 10 eignet. Verdichtete aus dem Verdichterabschnitt 12 ausgegebene Luft strömt in einen Brennkammerabschnitt 14, der allgemein durch mehrere Brennkammern charakterisiert ist, die in einer ringförmigen Gruppe um eine Achse des Systems 10 angeordnet sind. Die Luft, die in den Brennkammerabschnitt 14 eintritt, wird mit Brennstoff vermischt und verbrannt. Heiße Verbrennungsgase strömen von dem Brennkammerabschnitt 14 zu einem Turbinenabschnitt 16, um das System 10 anzutreiben und Strom zu erzeugen.
Unter Bezugnahme auf 2 enthält die Brennkammeranordnung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Brennkammerkopfende 20, das eine Gruppe primärer Düsen 22 aufweist, von denen in 2 lediglich eine gezeigt ist, und eine sekundäre Düse 24. Eine Brennkammerwand 26 weist eine Venturiverengung 28 auf, die zwischen einer primären Brennkammer 30 und einer sekundären Brennkammer 32 vorgesehen ist. Die Brennkammerwand 26 ist in einer Brennkammerströmungshülse 34 bereitgestellt. Ein Übergangskanal 36 ist mit der Brennkammerwand 26 verbunden, um die Verbrennungsgase zu der Turbine zu lenken.
Unter Bezugnahme auf 3 enthält das Brennkammerkopfende 20 die Gruppe primärer Düsen 22 und die sekundäre Düse 24. Wie in 3 dargestellt, sind die primären Düsen 22 in einer kreisförmigen Gruppe um die sekundäre Düse 24 angeordnet. Es sollte jedoch verständlich sein, dass auch andersartige Gruppen der primären Düsen 22 vorgesehen sein können.
Die Brennkammerwand 26 weist mehrere Brennkammerwandöffnungen 38 auf, durch die verdichtete Luft strömt, um einen Luftstrom 40 für die primäre Brennkammer 30 zu bilden. Es sollte auch als Vorteil angesehen werden, dass verdichtete Luft auf der Außenseite der Brennkammerwand 26 strömt, um der primären Brennkammer 30 eine Kühlwirkung zu verleihen.
Die sekundäre Düse 24 enthält mehrere Wirbelschaufeln 42, die dazu eingerichtet sind, Brennstoff und Luft vorzumischen, wie nachfolgend näher erläutert. Die sekundäre Düse 24 erstreckt sich in die primäre Brennkammer 30. Die sekundäre Düse 24 könnte sich lediglich in die primäre Brennkammer 30 und nicht in die Venturiverengung 28 oder in die sekundäre Brennkammer 32 erstrecken, oder die sekundäre Düse 24 könnte sich in die Venturiverengung 28, und optional, hinter die Venturiverengung 28 in die sekundäre Brennkammer 32 erstrecken.
Wie nachstehend erläutert, bezeichnet Bezugszeichen 44 eine Flammenausbreitungsgeschwindigkeit, falls während der Verbrennung ein Flammenrückschlag auftritt.
Unter Bezugnahme auf 4 weist das Brennkammerkopfende 20 eine Endabdeckung 50 mit einer Endabdeckungsoberfläche 52 auf, mit der die primären Düsen 22 durch Dichtungsfugen 54 verbunden sind. Die sekundäre Düse 24 weist einen Vormischbrennstoffkanal 56 auf, der durch die Endabdeckung 50 gestützt ist. Die sekundäre Düse 24 weist außerdem einen Luftstromeinlass 58 für das Einspeisen von Luft in die sekundäre Düse 24 auf.
Wie gezeigt, kann Brennstoff 60 durch den Vormischbrennstoffkanal 56 stromabwärts strömen. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff ”stromabwärts” eine Strömungsrichtung der Verbrennungsgase durch die Brennkammer in Richtung der Turbine, und der Begriff ”stromaufwärts” kann eine Richtung bezeichnen, die gegenüber der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase durch die Brennkammer entgegengesetzt ist. Der Brennstoff 60 kann anschließend, wie nachfolgend erläutert, in einen Brennstoff/Luft-Mischkanal entlassen werden. Beispielsweise kann der Brennstoff 60 in einigen Ausführungsbeispielen, wie in 4 gezeigt, aus dem Vormischbrennstoffkanal 56 in eine Kühlkammer 62 strömen, die in jeder Wirbelschaufel 42 definiert ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Brennstoff 60, wie in 11 gezeigt, durch den Vormischbrennstoffkanal 56 an den Wirbelschaufeln 42 vorbei strömen. Der Brennstoff 60 kann anschließend aus dem Vormischbrennstoffkanal 56 in einen Gegenstromkanal 63 strömen. Der Brennstoff 60 kann stromaufwärts durch den Gegenstromkanal 63 und in die Kühlkammer 62 strömen, die in jeder Wirbelschaufel 42 definiert ist. In diesen Ausführungsbeispielen erstrecken sich der Vormischbrennstoffkanal 56 und der Gegenstromkanal 63 wenigstens durch einen Abschnitt des weiter unten erörterten Düsengrundkörpers und, wie in 11 gezeigt, optional durch die weiter unten erörterte Düsenspitze. Der Gegenstrom von Brennstoff 60 durch den Gegenstromkanal 63 kann die Randflächenbereiche des Düsengrundkörpers, und optional, die Düsenspitze kühlen.
Der Brennstoff 60 kann anschließend um eine Trennwand 64 in eine Auslasskammer 66 strömen, die in jede Wirbelschaufel 42 definiert ist. Die Trennwand 64 kann beispielsweise ein Metallteil sein, das die Strömungsrichtung des Brennstoffs in die Auslasskammer 66 hinein drosselt, und auf diese Weise bewirkt, dass der Brennstoff sämtliche Oberflächen der Leitschaufeln 42 intern kühlt. Die Kühlkammer 62 und die Auslasskammer 66 können als ein nicht linearer Kühlmittelstromkanal beschrieben sein, z. B. ein Zickzack-Kühlmittelstromkanal, ein U-förmiger Kühlmittelstromkanal, ein schlangenförmiger Kühlmittelstromkanal, oder ein gewickelter Kühlmittelstromkanal. Ein Teil des Brennstoffs 60 kann auch über eine Nebenstromöffnung 68, die in der Trennwand 64 ausgebildet ist, unmittelbar von der Kühlkammer 62 zu der Auslasskammer 66 strömen.
Die Nebenstromöffnung 68 kann zulassen, dass beispielsweise etwa 1–50%, 5–40% oder 10–20% des gesamten Brennstoffs 60, der aus der Kühlkammer 62 in die Auslasskammer 66 strömt, unmittelbar zwischen die Kammern 62, 66 strömt. Die Verwendung der Nebenstromöffnung 68 kann Anpassungen an eventuell auftretende Druckabfälle des Brennstoffsystems, Anpassungen für Wärmeübertragungskoeffizienten, oder Anpassungen an die Verteilung von Brennstoff zu Brennstoffinjektionseinlässen 70 ermöglichen. Die Nebenstromöffnung 68 kann die Verteilung von Brennstoff in und durch die Brennstoffinjektionseinlässe 70 verbessern, um eine einheitlichere Verteilung zu erreichen. Die Nebenstromöffnung 68 kann außerdem den Druckabfall von der Kühlkammer 62 zu der Auslasskammer 66 verringern und dadurch dazu beitragen, den Brennstoff 60 durch die Brennstoffinjektionseinlässe 70 zu drücken. Darüber hinaus kann die Verwendung der Nebenstromöffnung 68 einen maßgeschneiderten Strom durch die Brennstoffinjektionseinlässe 70 ermöglichen, um den Grad einer Verwirbelung zu ändern, die der Brennstoffzustrom aufweist, bevor er über die Injektionskanäle 70 in einen Brennstoff/Luft-Mischkanal 72 injiziert wird.
Der Brennstoff 60 kann durch die Brennstoffinjektionseinlässe 70, die in den Wirbelschaufeln 42 ausgebildet sind, aus der Auslasskammer 66 ausgestoßen werden. Der Brennstoff 60 wird aus den Brennstoffinjektionseinlässen 70 in den Brennstoff/Luft-Mischkanal 72 injiziert, um sich mit dem Luftstrom aus dem Luftstromeinlass 58 der sekundären Düse 24 zu vermischen. Die Wirbelschaufeln 42 verwirbeln den Luftstrom aus dem Luftstromeinlass 58, um die Brennstoff/Luftvermischung in dem Durchlasskanal 72 zu verbessern.
Mit weiterem Bezug auf 4 enthält die sekundäre Düse 24 ein Brennerrohr 74, das einen Düsengrundkörper 76 umgibt. Der Düsengrundkörper 76 befindet sich stromabwärts der Wirbelungsschaufeln 42. Darüber hinaus kann der Düsengrundkörper 76 stromabwärts des Vormischbrennstoffkanals 56 angeordnet sein, oder der Vormischbrennstoffkanal 56 könnte sich wenigstens durch einen Abschnitt des Düsengrundkörpers 76 erstrecken. Der Brennstoff/Luft-Mischkanal 72 ist zwischen dem zentrale Düsengrundkörper 76 und dem Brennerrohr 74 vorgesehen. Eine Außenumfangswand 78 ist um das Brennerrohr 74 angeordnet und definiert einen Durchlasskanal 80 für den Luftstrom. Das Brennerrohr 74 ist mit mehreren Reihen von Luftkühllöchern 82 ausgebildet, die Kühlung bereitstellen, indem sie dem durch den Durchlasskanal 80 strömenden Luftstrom gestatten, einen Film auf dem Brennerrohr 74 zu bilden, der es vor heißen Verbrennungsgase zu schützen. Die Löcher 82 können mit Bezug auf eine stromabwärts gelegene Wandfläche im Bereich von 0° bis 45° Grad abgewinkelt sein. Die Lochabmessung, die mehreren Löcher in einer kreisförmigen Reihe und/oder der Abstand zwischen den Reihen von Öffnungen können dazu eingerichtet sein, die gewünschte Wandtemperatur während des Auftretens von Flammenhaltungsereignissen zu erreichen.
Während eines sekundären, oder vollständig vorgemischten Betriebs der Brennkammer 14 wird der Kühlkammer 62 über den oben erörterten Vormischbrennstoffkanal 56 Brennstoff zugeführt. Darüber hinaus enthält die sekundäre Brennstoffdüse 24, wie gezeigt, mehrere Brennstoffkanäle, die sich durch den Vormischbrennstoffkanal 56 hindurch erstrecken und in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus der Brennkammer 14 zu unterschiedlichen Zeiten genutzt werden. Beispielsweise können ein oder mehrere Zündbrennstoffkänale 90 in der sekundären Düse 24, z. B. in dem Zentrum der sekundären Düse 24, ausgebildet sein. Der Zündbrennstoffkanal 90 führt der sekundären Düse 24 beispielsweise Brennstoff 92 für den Zündbetrieb zu. Der Zündbrennstoff 92 kann beispielsweise ein Brennstoff mit hoher Reaktivität sein. Es sind mehrere Transferkanäle 94 in der sekundären Düse 24 definiert. Die Transferkanäle 94 können sich beispielsweise im Wesentlichen axial in der sekundären Düse 24 erstrecken und können radial außerhalb des Zündbrennstoffkanals 90 angeordnet sein. Die mehreren Transferkanäle 94 liefern Transferbrennstoff 96 für die Verwendung während Übergängen zwischen Betriebsmodi.
Der Zündbrennstoffkanal 90 und unterschiedliche der Transferkanäle 94 erstrecken sich in eine mit dem Düsengrundkörper 76 verbundene und an dem stromabwärts gelegenen Ende der sekundären Düse 24 angeordnete Düsenspitze 100 hinein und durch sie hindurch. Wie in 4 bis 6 gezeigt, kann sich der Zündbrennstoffkanal 90 durch die Düsenspitze 100 zu einem Diffusor 102 erstrecken, der an einem Spitzenende 104 angeordnet ist. Die mehreren Transferkanäle 94 können sich durch die Düsenspitze 100 erstrecken und die sekundäre Düse 24 bei mehreren Spitzenlöchern 106 verlassen. Der Zündbrennstoffkanal 90 kann über mehrere Zündlöcher 108, die in Seitenwänden 110 der mehreren Transferkanäle 94 definiert sind, mit den mehreren Transferkanälen 94 verbunden sein. Der Zündbrennstoffkanal 90 ist mit einer Zündbrennstoffquelle 112 verbunden.
Wenn die sekundäre Düse 24, wie in 5 gezeigt, beispielsweise als eine Zündeinrichtung in dem Zündmodus arbeitet, wird ein Zündbrennstoffstrom 92 durch den Zündbrennstoffkanal 90 gedrückt und kann sich durch den Diffusor 102 hindurch ausbreiten. Der Zündbrennstoffstrom 92 kann sich außerdem durch die mehreren Zündlöcher 108 ausbreiten, die durch die mehreren Transferkanäle 94 hindurch ausgebildet sind. Der Zündbrennstoff 92 in dem Diffusor 102 und in den Durchlasskanälen 90, 94 kann die Spitze 100 kühlen. Der Zündbrennstoff 92 kann anschließend die Transferkanäle 94 in eine Verbrennungszone 114 hinein verlassen, um eine Zündflamme 116 zu speisen.
Darüber hinaus wird während des Zündmodusbetriebs der sekundären Düse 24 ein Zündluftstrom 118 durch die mehreren Transferkanäle 94 gedrückt. Der Zündluftstrom 118 verlässt die mehreren Transferkanäle 94 in die Verbrennungszone 114 hinein und wird genutzt, um den Zündbrennstoffstrom 92 zu verbrennen. In einigen Ausführungsbeispielen vermischt sich der Zündluftstrom 118 vor der Verbrennung in der Verbrennungszone 114 wenigstens teilweise mit dem Zündbrennstoffstrom 92. In einigen Ausführungsbeispielen kann dieses Mischen in den mehreren Transferkanälen 94 stattfinden. Ein Vormischen des Zündluftstroms 118 und des Zündbrennstoffstroms 92 stabilisiert die Zündflamme 116 und gestattet eine niedrigere Betriebstemperatur der Zündflamme 116, so dass NO_x-Emissionen während des Betriebs der Brennkammer 14 verringert sind.
6 veranschaulicht den Betrieb der sekundären Düse 24 während eines Transferbetriebs. Während des Transfermodusbetriebs wird aus einer Transferbrennstoffquelle 120 stammender Transferbrennstoff 96 durch die mehreren Transferkanäle 94 und in die Verbrennungszone 114 gedrückt. In einigen Ausführungsbeispielen wird der Zündluftstrom 118, während der Transferbrennstoff 96 durch die mehreren Transferkanäle 94 gedrückt wird, angehalten. In einigen Ausführungsbeispielen kann nach dem Transferbrennstoff 96 Zündluft 118 durch die Transferkanäle 94 geleitet werden, um den Transferbrennstoff 96 aus den Transferkanälen 94 zu spülen.
Die im Vorliegenden beschriebenen Ausführungsbeispiele nutzen die mehreren Transferkanäle 94, um den Zündluftstrom 118 während eines Zündmodusbetriebs zu befördern, den Zündbrennstoffstrom 92 zu verbrennen, und um den Transferbrennstoff 96 während eines Transfermodusbetriebs zu befördern. Ein Verwenden der mehreren Transferkanäle 94 für beide Funktionen gestattet es, auf die Zündluftkanäle der Konstruktion der sekundären Düse aus dem Stand der Technik zu verzichten, was eine weniger komplizierte sekundäre Düse 24 ermöglicht, die eine kleinere Zahl von Bauteilen aufweist.
Ein Weglassen der Zündluftkanäle ermöglicht es, den Gesamtquerschnitt der Transferkanäle 94 zu vergrößern. Dieser vergrößerte Gesamtquerschnitt ergibt eine größere Brennstoffflexibilität für die sekundäre Düse 24 und erlaubt außerdem den Einsatz von hoch reaktivien Brennstoffen in der Zündeinrichtung. Aufgrund des vergrößerte Gesamtquerschnitts kann ein größere Volumen von Transferbrennstoff 96 durch die Zündeinrichtung hindurch gedrückt werden, so dass Brennstoffe mit einem geringerem Wert der Britischen Thermischen Einheit (BTU), die einen höheren Volumendurchsatz erfordern, genutzt werden können, während die Betriebsfähigkeit der sekundären Düse 24 aufrecht erhalten bleibt.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 7 bis 10 der Betrieb der Brennkammer 14 beschrieben. Wie in 7 dargestellt, ist der gesamte der Brennkammer zugeführte Brennstoff während eines primären Betriebs, der beginnend mit der Zündung bis beispielsweise 20% der Last der Gasturbine stattfinden kann, primärer Brennstoff 130, d. h. es werden der Gruppe primärer Düsen 22 100% des Brennstoffs zugeführt. Die Verbrennung erfolgt in der primären Brennkammer 30 durch Diffusion des primären Brennstoffs 130 aus den primären Brennstoffdüsen 22 in den durch die Brennkammer 14 strömenden Luftstrom 40 (siehe 3).
Wie in 8 dargestellt, findet ein Mager-Mager-Betrieb der Brennkammer 14 statt, wenn die Gasturbine beispielsweise bei 20–50% der Last der Gasturbine betrieben wird. Primärer Brennstoff 130 wird der Gruppe primärer Düsen 22 zugeführt, und sekundärer Brennstoff 132 wird der sekundären Düse 24 zugeführt. Beispielsweise ist etwa 70% des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs primärer Brennstoff 130, und etwa 30% des Brennstoffs ist sekundärer Brennstoff 132. Die Verbrennung findet in der primären Brennkammer 30 und in der sekundären Brennkammer 32 statt.
In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff ”primärer Brennstoff” einen Brennstoff, der den primären Düsen 22 zugeführt ist, und der Begriff ”sekundärer Brennstoff” bezeichnet einen Brennstoff, der der sekundären Düse 24 zugeführt wird.
In einer in 9 dargestellten zweiten Stufe der Verbrennung, die ein Übergang von dem Betrieb nach 8 zu einem vorgemischten Betrieb ist, wie er weiter unten mit Bezug auf 10 näher erläutert ist, ist der gesamte Brennstoff, der der Brennkammer zugeführt wird, sekundärer Brennstoff 132, d. h. 100% des Brennstoffs wird der sekundären Düse 24 zugeführt. In der zweiten Stufe der Verbrennung findet die Verbrennung durch Vormischen des sekundären Brennstoff 132 und des von dem Einlass 58 der sekundären Düse 24 ausgehenden Luftstroms 40 statt. Das Vormischen erfolgt in dem Brennstoff/Luft-Mischkanal 72 der sekundären Düse 24.
Wie in 10 dargestellt, kann die Brennkammeranordnung in einem vorgemischten Betrieb betrieben werden, bei dem die Gasturbine beispielsweise bei 50–100% der Last der Gasturbine betrieben wird. In dem vorgemischten Betrieb nach 10 wird der den primären Düsen 22 gelieferte primäre Brennstoff 130 ausgehend von der in dem Mager-Mager-Betrieb nach 9 zugeführten Menge erhöht, und der der sekundären Düse 24 zugeführte sekundäre Brennstoff 132 wird ausgehend von der in 8 dargestellten, in dem Mager-Mager-Betrieb zugeführten Menge verringert. Beispielsweise kann in dem vorgemischten Betrieb nach 10 etwa 80–83% des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs primärer Brennstoff 130 sein, und etwa 20–17% des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs kann sekundärer Brennstoff 132 sein.
Wie in 10 dargestellt, erfolgt die Verbrennung während des vorgemischten Betriebs in der sekundären Brennkammer 32, und eine Beschädigung der sekundären Düse 24 wird aufgrund der oben erörterten Kühlungsmaßnahmen verhindert. Unter Bezugnahme auf 3 kann ein Flammenrückschlag auftreten, falls die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit 44 die Geschwindigkeit des Luftstroms 40 in den primären Brennkammern 30 überschreitet. Steuerung/Regelung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der sekundären Düse 24, d. h. die Steuerung/Regelung des sekundären Brennstoffs 132, ermöglicht eine Steuerung/Regelung der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und verhindert, dass die Flamme die Venturiverengung 28 in der primären Brennkammer 30 überquert.
Obwohl die oben beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispiele Diffusionsdüsen als die primären Düsen verwenden, sollte es verständlich sein, dass die primären Düsen Vorgemischdüsen sein können, die beispielsweise dieselbe oder eine ähnliche Konstruktion aufweisen wie die sekundären Düsen.
Die flammentolerante Düse verbessert die Brennstoffflexibilität des Brennkammersystems, so dass ein Verbrennen von Brennstoffen hoher Reaktivität erlaubt ist. Die flammentolerante Düse als die sekundäre Düse in der Brennkammeranordnung befähigt die Brennkammer, sowohl vollständig synthetisches Gas als auch Erdgas zu verbrennen. Die flammentolerante Düse kann in der Brennkammeranordnung als eine sekundäre Düse genutzt werden und auf diese Weise die Brennkammeranordnung befähigen, vollständig synthetisches Gas oder Gas mit hohem Wasserstoffanteil sowie Erdgas zu verbrennen. In Verbindung mit einer primären dualen Brennstoffdüse wird die flammentolerante Düse es der Brennkammeranordnung ermöglichen, sowohl Erdgas als auch vollständig auf Synthesegas basierende Brennstoffe zu verbrennen. Sie erweitert die Hüllkurve der Brennstoffflexibilität der Brennkammeranordnung, um einen großen Bereich von Wobbe-Index und Reaktivität abzudecken, und lässt sich auf industrielle Öl- und Gasprogramme anwenden.
Die Kühlungsmerkmale der flammentoleranten Düse, die beispielsweise Verwirbelungsleitschaufeln des Vormischers und das luftgekühlte Brennerrohr aufweist, ermöglichen der Düse, andauernden Flammenhaltungsereignissen zu widerstehen. Während eines derartigen Flammenhaltungsereignisses schützen die Kühlungsmerkmale die Düse vor jedem Schaden an Komponenten und erlauben Zeit für eine Entdeckung und für Korrekturmaßnahmen, die die Flamme des Vormischer ausblasen und die vorgemischte Flamme unter normalem Betriebsmodus wiederherstellen.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
Geschaffen ist eine Düse 24 für eine Brennkammeranordnung 14. Zu der Düse 24 gehören: ein zentraler Grundkörper 76; ein Brennerrohr 74, das um den zentralen Grundkörper 76 angeordnet ist und das dazwischen einen Brennstoff/Luft-Mischkanal 72 definiert; und eine Außenumfangswand 78, die um das Brennerrohr 74 angeordnet ist und die dazwischen einen Luftkanal 80 definiert. Die Düse 24 enthält außerdem eine Düsenspitze 100, die mit dem zentralen Grundkörper 76 verbunden ist. Die Düsenspitze 100 weist einen Zündbrennstoffkanal 90 auf, der dazu eingerichtet ist, einer Verbrennungszone 114 und mehrere Transferkanäle 94 einen Strom von Zündbrennstoff 92 zuzuführen. Die mehreren Transferkanäle 94 sind dazu eingerichtet, einen Luftstrom 118 zur Verbrennung mit dem Zündbrennstoffstrom 92 in der Verbrennungszone 114 zuzuführen, und die außerdem dazu eingerichtet sind, der Verbrennungszone 114 einen Strom von Transferbrennstoff 96 zuzuführen.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinensystem
12: Verdichter
14: Brennkammeranordnung
16: Turbine
20: Brennkammerkopfende
22: Primäre Düse
24: Sekundäre Düse
26: Brennkammerwand
28: Venturiverengung
30: Primäre Brennkammer
32: Sekundäre Brennkammer
34: Brennkammerströmungshülse
36: Übergangskanal
38: Brennkammerwandöffnung
40: Luftstrom
42: Wirbelschaufel
44: Flammenausbreitungsgeschwindigkeit
50: Endabdeckung
52: Endabdeckungsoberfläche
54: Dichtungsfuge
56: Vormischbrennstoffkanal
58: Luftstromeinlass
60: Brennstoff
62: Kühlkammer
63: Gegenstromkanal
64: Trennwand
66: Auslasskammer
68: Nebenstromöffnung
70: Brennstoffinjektionseinlass
72: Brennstoff/Luft-Mischkanal
74: Brennerrohr
76: Düsengrundkörper
78: Außenumfangswand
80: Luftkanal
82: Luftkühllöcher
90: Zündbrennstoffkanal
92: Zündbrennstoff
94: Transferkanal
96: Transferbrennstoff
100: Düsenspitze
102: Diffusor
104: Spitzenende
106: Spitzenlöcher
108: Zündloch
110: Seitenwand
112: Zündbrennstoffquelle
114: Verbrennungszone
116: Zündflamme
118: Zündluft
120: Transferbrennstoffquelle
130: Primärer Brennstoff
132: Sekundärer Brennstoff

Claims

Düse (24) für eine Brennkammeranordnung (14), wobei die Düse (24) aufweist: einen zentralen Grundkörper (76); ein Brennerrohr (74), das um den zentralen Grundkörper (76) angeordnet ist und das dazwischen einen Brennstoff/Luft-Mischkanal (72) definiert; eine Außenumfangswand (78), die um das Brennerrohr (74) angeordnet ist und die dazwischen einen Luftkanal (80) definiert; und eine Düsenspitze (100), die mit dem zentralen Grundkörper (76) verbunden ist, wobei die Düsenspitze (100) aufweist: einen Zündbrennstoffkanal (90), der dazu eingerichtet ist, einer Verbrennungszone (114) einen Strom von Zündbrennstoff (92) zuzuführen; und mehrere Transferkanäle (94), wobei die mehreren Transferkanäle (94) dazu eingerichtet sind, einen Luftstrom (118) zur Verbrennung mit dem Zündbrennstoffstrom (92) in der Verbrennungszone (114) zuzuführen, und der außerdem dazu eingerichtet ist, der Verbrennungszone (114) einen Strom von Transferbrennstoff (96) zuzuführen.
Düse (24) nach Anspruch 1, wobei die Spitze (100) mehrere Zündlöcher (108) definiert, die den Zündbrennstoffkanal (90) mit den mehreren Transferkanälen (94) verbinden.
Düse (24) nach einem der Ansprüche 1–2, wobei die Spitze (100) einen Diffusor (102) definiert, der so eingerichtet ist, dass der Zündbrennstoffstrom (92) von dem Zündbrennstoffkanal (90) durch den Diffusor (102) in die Verbrennungszone (114) strömt.
Düse (24) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Zündbrennstoffstrom (92) und der Luftstrom (118) wenigstens teilweise vor der Verbrennung vermischt werden.
Düse (24) nach einem der Ansprüche 1–4, zu der außerdem wenigstens eine Wirbelschaufel (42) gehört, die in dem Brennstoff/Luft-Mischkanal (72) angeordnet ist.
Düse (24) nach Anspruch 5, wobei die wenigstens eine Wirbelschaufel (42) eine Kühlkammer (62) definiert, die dazu eingerichtet ist, Brennstoff (60) von einem Vormischbrennstoffkanal (56) aufzunehmen, und zusätzlich eine Auslasskammer (66) definiert, die dazu eingerichtet ist, den Brennstoff (60) durch wenigstens einen Brennstoffinjektionseinlass (70) in den Brennstoff/Luft-Mischkanal (72) auszustoßen, und wobei die wenigstens eine Wirbelschaufel (42) zudem eine Trennwand (64) aufweist, die zwischen der Kühlkammer (62) und der Auslasskammer (66) angeordnet ist.
Düse (24) nach Anspruch 6, wobei der Brennstoff (60) von dem Vormischbrennstoffkanal (56) durch einen Gegenstromkanal (63) in die Kühlkammer (62) strömt.
Düse (24) nach einem der Ansprüche 6–7, wobei die Trennwand (64) eine Nebenstromöffnung (68) definiert, die dazu eingerichtet ist, dem Brennstoff (60) zu erlauben, von der Kühlkammer (62) zu der Auslasskammer (66) zu strömen.
Brennkammeranordnung (14) für ein Gasturbinensystem (10), wobei zu der Brennkammeranordnung (14) gehört: eine Düse (24), wobei die Düse (24) aufweist: einen zentralen Grundkörper (76); ein Brennerrohr (74), das um den zentralen Grundkörper (76) angeordnet ist und das dazwischen einen Brennstoff/Luft-Mischkanal (72) definiert; eine Außenumfangswand (78), die um das Brennerrohr (74) angeordnet ist und die dazwischen einen Luftkanal (80) definiert; und eine Düsenspitze (100), die mit dem zentralen Grundkörper (76) verbunden ist, wobei die Düsenspitze (100) aufweist: einen Zündbrennstoffkanal (90), der dazu eingerichtet ist, einer Verbrennungszone (114) einen Strom von Zündbrennstoff (92) zuzuführen; und mehrere Transferkanäle (94), wobei die mehreren Transferkanäle (94) dazu eingerichtet sind, einen Luftstrom (118) zur Verbrennung mit dem Zündbrennstoffstrom (92) in der Verbrennungszone (114) zuzuführen, und die außerdem dazu eingerichtet sind, der Verbrennungszone (114) einen Strom von Transferbrennstoff (96) zuzuführen.
Brennkammer (14) nach Anspruch 9, wobei die Spitze (100) mehrere Zündlöcher (108) definiert, die den Zündbrennstoffkanal (90) mit den mehreren Transferkanälen (94) verbinden.
Brennkammer (14) nach einem der Ansprüche 9–10, wobei die Spitze (100) einen Diffusor (102) definiert, der so eingerichtet ist, dass der Zündbrennstoffstrom (92) von dem Zündbrennstoffkanal (90) durch den Diffusor (102) in die Verbrennungszone (114) strömt.
Brennkammer (14) nach einem der Ansprüche 9–11, zu der ferner wenigstens eine Wirbelschaufel (42) gehört, die in dem Brennstoff/Luft-Mischkanal (72) angeordnet ist.
Brennkammer (14) nach Anspruch 12, wobei die wenigstens eine Wirbelschaufel (42) eine Kühlkammer (62), die dazu eingerichtet ist, Brennstoff (60) von einem Vormischbrennstoffkanal (56) aufzunehmen, definiert und zusätzlich eine Auslasskammer (66) definiert, die dazu eingerichtet ist, den Brennstoff (60) durch wenigstens einen Brennstaffinjektionseinlass (70) in den Brennstoff/Luft-Mischkanal (72) auszustoßen, und wobei die wenigstens eine Wirbelschaufel (42) zudem eine Trennwand (64) aufweist, die zwischen der Kühlkammer (62) und der Auslasskammer (66) angeordnet ist.
Brennkammer (14) nach Anspruch 13, wobei der Brennstoff (60) von dem Vormischbrennstoffkanal (56) durch einen Gegenstromkanal (63) in die Kühlkammer (66) strömt.
Brennkammer (14) nach einem der Ansprüche 13–14, wobei die Trennwand (64) eine Nebenstromöffnung (68) definiert, die dazu eingerichtet ist, Brennstoff (60) zu erlauben, von der Kühlkammer (62) zu der Auslasskammer (66) zu strömen.