DE102011117603A1

DE102011117603A1 - Brennkammer und Verfahren zum Dämpfen von Pulsationen

Info

Publication number: DE102011117603A1
Application number: DE201110117603
Authority: DE
Inventors: Piotr SIEWERT; Rudolf Lachner
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2012-05-24
Also published as: US20120122043A1; US9028247B2

Abstract

Die Brennkammer (1) weist eine Verbrennungsvorrichtung (2) und einen Versorgungskreis (3) auf, der eingerichtet ist, um Brennstoff an eine Vielzahl von Standorten der Verbrennungsvorrichtung (2) zu liefern. Der Versorgungskreis (1) weist Verteiler (5a, 5b), die Brennstoff sammeln, der unter mindestens einigen der Standorte verteilt werden soll, und Leitungen (7a, 7b) auf, die von dem mindestens einen Verteiler (5a, 5b) ausgehen und mindestens einige der Standorte speisen. Einige der Leitungen (7a, 7b) tragen Ventile (8), die eine Vielzahl von vorab festgelegten Arbeitsstellungen haben, wobei jede Arbeitsstellung einem anderen Brennstoffdurchsatz durch das Ventil (8) entspricht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer und auf ein Verfahren zum Dämpfen von Pulsationen. Insbesondere ist die Brennkammer ein Bestandteil eines Gasturbinenmotors.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist bekannt, dass Gasturbinenmotoren einen Verdichter, eine oder mehrere Brennkammern und eine oder mehrere Turbinen aufweisen. Der Verdichter liefert Druckluft an die Brennkammern, in die ein Brennstoff eingespritzt und dort verbrannt wird, was heiße Gase erzeugt, die in den Turbinen expandiert werden, um mechanische Arbeit zu gewinnen.
Typischerweise hat eine Brennkammer eine ringförmige Verbrennungsvorrichtung, die mit Düsen, welche ihr Brennstoff liefern (Diffusionsbrennkammer), oder mit Mischvorrichtungen verbunden ist, die ihr eine Mischung von Luft und Brennstoff liefern.
Einer der Schlüsselfaktoren für den Betrieb eines Gasturbinenmotors ist die Flammentemperatur, d. h. die Temperatur der Flamme innerhalb der Brennkammer.
Wenn die Flammentemperatur nämlich zu hoch ist, sind die No_x-Emissionen hoch, und wenn die Flammentemperatur zu niedrig ist, werden Pulsationen in der Brennkammer erzeugt; aus diesen Gründen muss die Flammentemperatur im Betrieb in einem bestimmten Bereich liegen, der einen korrekten Betrieb erlaubt.
Zusätzlich könnte, auch bei einem Betrieb innerhalb des gegebenen Bereichs, der Betrieb des Gasturbinenmotors störanfällig sein.
Tatsächlich werden mögliche Impulspulsationen, die von einer einzigen Düse oder einer einzigen Mischvorrichtung erzeugt werden, allgemein beeinflusst und beeinflussen die Pulsationen von benachbarten Düsen oder Mischvorrichtungen.
Aus diesem Grund ist es möglich, dass selbst bei einem Betrieb im gegebenen Bereich Pulsationen natürlich an einzelnen Düsen oder Mischvorrichtungen erzeugt werden (z. B. für mechanische Defekte oder Toleranzen, besondere lokale Bedingungen, usw.) und sich mit Pulsationen benachbarter Vorrichtungen verbinden, wodurch eine rotierende Pulsationswelle in der Brennkammer erzeugt wird.
Diese rotierenden Pulsationswellen beeinträchtigen die Lebensdauer des Gasturbinenmotors stark und müssen gedämpft werden.
Um diese rotierenden Pulsationswellen zu dämpfen, wird traditionell das Drosseln des Brennstoffs an ausgewählten Düsen oder Mischvorrichtungen eingesetzt. Aufgrund dieses Drosselns erzeugen die ausgewählten Düsen oder Mischvorrichtungen eine Flamme mit einer Temperatur, die geringer als die Temperatur der Flamme ist, die von den anderen Düsen oder Mischvorrichtungen erzeugt wird; mit anderen Worten, die Flammentemperaturverteilung innerhalb der ringförmigen Brennkammer ist ungleichmäßig, wobei dies eine vorteilhafte Wirkung auf das Dämpfen der rotierenden Pulsationswelle hat.
Üblicherweise wird das Drosseln durch die Verwendung von Öffnungen mit festgelegtem Durchmesser erreicht, die in dem Brennkammer-Brennstoffeinlassrohr von ausgewählten Brennern installiert sind. Diese Öffnungen reduzieren den Brennstoffdurchsatz durch das Rohr, was zu einer reduzierten Menge von in die Brennkammer an den ausgewählten Standarten einzuspritzendem Brennstoff und somit zu der beschriebenen reduzierten Flammentemperatur führt.
Jedoch, auch wenn sie es ermöglichen, die rotierende Pulsationswelle zu dämpfen, führen die Öffnungen zu verschiedenen Zwängen.
Tatsächlich erfordern die Regelung und Optimierung des an Düsen oder Mischvorrichtungen gelieferten Brennstoffs das Ersetzen der Öffnungen und sind daher sehr zeitraubend; zum Beispiel muss der Motor jedes Mal, wenn die Öffnungen ersetzt werden, angehalten und neu eingestellt werden.
Außerdem ist keine online Regelung gemäß den verschiedenen Betriebsbedingungen (und somit Flammentemperatur und Pulsationsgrad) möglich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das technische Ziel der vorliegenden Erfindung umfasst daher die Bereitstellung einer Brennkammer und eines Verfahrens, die die oben erwähnten Probleme des Stands der Technik angehen.
Im Rahmen dieses technischen Ziels ist es ein Aspekt der Erfindung, eine Brennkammer und ein Verfahren bereitzustellen, die die Regelung und Optimierung des an Düsen oder Mischvorrichtungen gelieferten Brennstoffs erlauben, ohne lange Auszeiten des Motors zu erfordern.
Es ist ein anderer Aspekt der Erfindung, eine Brennkammer und ein Verfahren bereitzustellen, die eine online Regelung und Optimierung des an Düsen oder Mischvorrichtungen gelieferten Brennstoffs während des Betriebs des Gasturbinenmotors erlauben.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer und ein Verfahren bereitzustellen, die billig und zuverlässig sind.
Das technische Ziel, zusammen mit diesen und weiteren Aspekten, wird erfindungsgemäß durch die Bereitstellung einer Brennkammer und eines Verfahrens entsprechend den beiliegenden Ansprüchen erreicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen klarer aus der Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsform der Brennkammer und des Verfahrens hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
1 eine schematische Vorderansicht einer Brennkammer in einer Ausführungsform der Erfindung ist; in dieser Figur ist die Verbrennungsvorrichtung nicht gezeigt, es ist sowieso klar, dass die Mischvorrichtungen alle mit einer Verbrennungsvorrichtung verbunden sind;
2 schematisch das Betriebsschema eines Ventils zeigt, das die Erfindung anwendet; und
3 eine schematische Seitenansicht einer Brennkammer in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Unter Bezug auf die Figuren zeigen diese eine Brennkammer 1, die eine ringförmige Verbrennungsvorrichtung 2 aufweist; zusätzlich ist auch ein Brennstoffversorgungskreis 3 gezeigt, der eingerichtet ist, um Brennstoff an eine Vielzahl von Standorten der Verbrennungsvorrichtung 2 zu speisen.
Der Versorgungskreis enthält einen ersten Verteiler 5a, der mit einer Hauptrohrleitung 6a verbunden ist (die üblicherweise mit einem in den beiliegenden Figuren nicht gezeigten Steuerventil versehen ist); vom ersten Verteiler 5a geht eine Vielzahl von Leitungen 7a aus; diese Leitungen 7a liefern Brennstoff an einige der Standorte der Verbrennungsvorrichtung 2.
Zusätzlich wird auch ein zweiter Verteiler 5b bereitgestellt; der Verteiler 5b ist mit einer Hauptrohrleitung 6b verbunden, die auch mit einem (nicht gezeigten) Steuerventil versehen ist; der Verteiler 5b ist mit Leitungen 7b verbunden, um andere Standorte der Verbrennungsvorrichtung 2 mit Brennstoff zu speisen.
So sammeln die Verteiler 5a und 5b Brennstoff und verteilen ihn an die Standorte.
Wie in den Figuren gezeigt, tragen die Leitungen 7a Ventile 8, die eine Vielzahl fest vorgegebener Arbeitsstellungen haben, wobei jede Arbeitsstellung einem anderen Brennstoffdurchsatz durch das Ventil 8 entspricht.
Insbesondere haben die Ventile 8 zwei Arbeitsstellungen, die einer ersten Arbeitsstellung, in der das Ventil 8 ganz oder teilweise offen ist, und einer zweiten Arbeitsstellung entsprechen, in der das Ventil 8 ganz oder teilweise geschlossen ist; es ist klar, dass, wenn das Ventil teilweise/ganz offen ist, der Brennstoffdurchsatz, der dadurch gehen kann, größer ist als der Brennstoffdurchsatz, der dadurch gehen kann, wenn das gleiche Ventil 8 teilweise/ganz geschlossen ist.
Zum Beispiel zeigt 2 ein Beispiel der Beziehung zwischen der Ventilstellung und dem Brennstoffdurchsatz durch das Ventil 8. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass in der offenen Stellung OP der Brennstoffdurchsatz FFOP durch das Ventil größer ist als der Brennstoffdurchsatz FFCP dadurch in der geschlossenen Stellung CP.
Die Brennkammer 1 kann vorteilhafterweise eine Vielzahl von Stufen aufweisen, die unter verschiedenen Betriebsbedingungen verschieden mit Brennstoff gespeist werden. Zum Beispiel hat die Brennkammer in der Ausführungsform der 3 zwei Stufen, die eine Pilotstufe 10 und eine Vormischstufe 11 sind.
In diesem Fall hat, wie bereits beschrieben, die Brennkammer 1 vorzugsweise einen Verteiler 5a, 5b für jede der zu speisenden Stufen.
Zusätzlich, wenn die Brennkammer 1 mehr als eine Stufe aufweist, sind die Ventile 8 an Leitungen vorgesehen, die die gleichen Stufen speisen; d. h. 3 zeigt zum Beispiel, dass die Ventile 8 an den Leitungen 7a vorgesehen sind, die die gleichen Stufen 11 speisen.
Selbstverständlich, selbst wenn in der gezeigten Ausführungsform die Ventile mit den Leitungen 7a verbunden sind, ist es auch möglich, die Ventile 8 mit den Leitungen 7b und/oder auch mit beiden Leitungen 7a und 7b zu verbinden.
Aus 1 ist auch ersichtlich, dass nicht alle Leitungen 7a der gleichen Stufe 11 mit den Ventilen 8 versehen sind, sondern die Standorte der Verbrennungsvorrichtung, deren Leitungen mit den Ventilen 8 versehen sind, sind vorteilhafterweise gleichmäßig über den Umfang der Verbrennungsvorrichtung verteilt. Selbstverständlich gilt in dem Fall, in dem die Ventile 8 auch an den Leitungen 7b vorgesehen sind, die gleiche Betrachtung auch für diese Ventile.
Insbesondere ist die in den beiliegenden Figuren gezeigte Brennkammer 1 eine Vormischbrennkammer, und daher hat jeder Standort mindestens eine Mischvorrichtung 13; der Brennstoff wird in die Mischvorrichtungen 13 geliefert und mit Luft gemischt, um eine Mischung zu erzeugen, die dann in der Verbrennungsvorrichtung 2 verbrannt wird.
Die Mischvorrichtungen 13 sind von einer im Stand der Technik bekannten Art und haben zum Beispiel eine oder mehr Mantelflächen, die einen kegelförmigen Drallraum definieren, in den eine Lanze axial vorsteht.
Eine erste Brennstoffstufe 10 wird von Düsen an der Lanze definiert, und eine zweite Brennstoffstufe 11 wird von Düsen an den Mantelflächen definiert. Zusätzlich definieren die Mantelflächen zwischen sich andere Schlitze für den Lufteintritt in den kegelförmigen Drallraum.
Alternativ kann die Brennkammer auch eine Diffusionsbrennkammer sein; in dieser Ausführungsform ist der Versorgungskreis 3 im Wesentlichen gleich dem bereits beschriebenen. In dieser Ausführungsform spritzen die Düsen typischerweise Brennstoff direkt in die Verbrennungsvorrichtung (d. h. es sind keine Mischvorrichtungen vorgesehen, in die Brennstoff und Luft geliefert werden, um eine Mischung zu erzeugen, die dann zur Verbrennungsvorrichtung befördert wird).
Um die Ventile 8 zu steuern und anzutreiben, ist eine Steuereinheit 14 vorgesehen, die mit Sensoren 15 der Pulsationen verbunden ist, die in der Verbrennungsvorrichtung 2 untergebracht sind oder mit ihr in Verbindung stehen.
Alternativ können auch verschiedene Sensoren vorgesehen werden, zum Beispiel können Sensoren 15 Emissionen erfassen; in einer bevorzugten Ausführungsform enthalten erfassbare Emissionen No_x-Emissionen, CO-Emissionen, Emissionen von unverbranntem Kohlenwasserstoff, usw. In diesem Fall können die Sensoren 15 innerhalb der Verbrennungsvorrichtung 2 oder auch nahe dem Ausgang des Motors angeordnet sein.
Die Steuereinheit 14 ist dann mit den Ventilen 8 verbunden, um sie zu steuern; die Steuereinheit 14 kann jedes Ventil 8 von der ersten Stellung in die zweite Stellung und umgekehrt antreiben, unabhängig von den anderen Ventilen 8, auf der Basis eines von den Sensoren 15 erfassten Signals.
Der Betrieb der Brennkammer in Ausführungsformen der Erfindung geht aus der Beschreibung und der Darstellung hervor und ist im Wesentlichen wie folgt.
Die Ventile 8 haben eine Startkonfiguration, die zum Beispiel für einen Betrieb mit geringer Last oder Teillast optimiert sein kann.
Wenn der Gasturbinenmotor gestartet und eine Flamme in der Verbrennungsvorrichtung 2 erzeugt wird, erfassen die Sensoren 15 mögliche Pulsationen in der Verbrennungsvorrichtung 2 oder Emissionen, so dass die Steuereinheit 14 auf der Basis der von den Sensoren 15 gelieferten Information die Ventile 8 antreibt, indem sie jedes von ihnen in die erste und/oder zweite Stellung schaltet, unabhängig von den anderen Ventilen 8.
Da die Ventile 8 sehr einfach sind, nur zwei Stellungen (oder in jedem Fall eine begrenzte Anzahl von Stellungen) haben und keine Regelung für einen korrekten Betrieb notwendig ist, ist das ganze System billig und leicht zu regeln.
Die vorgeschlagene Konfiguration kann auch leicht zur Nachrüstung existierender Gasturbinenmotoren eingesetzt werden, zum Beispiel, um ihren Betriebsbereich zu erweitern (d. h. es ihnen zu ermöglichen, bei einer Last niedriger als ihre Mindestauslegungslast korrekt zu arbeiten).
Das Verfahren zum Nachrüsten einer Brennkammer enthält das Versehen mindestens einiger der Leitungen 7a (und/oder Leitungen 7b) mit Ventilen 8, die eine Vielzahl von vorab festgelegten Arbeitsstellungen haben (wie zwei Stellungen), wobei jede Stellung einem anderen Brennstoffdurchsatz durch das Ventil 8 entspricht.
Insbesondere, wenn die Brennkammer 1 eine Vielzahl von Stufen hat, sind die Ventile 8 an Leitungen 7a (und/oder Leitungen 7b) vorgesehen, die die gleichen Stufen speisen.
Außerdem sind die Standorte, deren Leitungen mit den Ventilen 8 versehen sind, gleichmäßig über den Umfang der Verbrennungsvorrichtung verteilt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Dämpfen von Pulsationen in einer Brennkammer.
Das Verfahren enthält das Dämpfen der Pulsationen durch online Regeln des Brennstoffdurchsatzes an mindestens einigen der Standorte durch Auswählen der Arbeitsstellung der Ventile 8.
Natürlich können die beschriebenen Merkmale unabhängig voneinander bereitgestellt werden.
In der Praxis können die verwendeten Materialien und die Abmessungen beliebig entsprechend den Anforderungen und dem Stand der Technik gewählt werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennkammer
2: Verbrennungsvorrichtung
3: Brennstoffversorgungskreis
5a, 5b: Verteiler
6a, 6b: Hauptrohrleitung
7a, 7b: Leitungen
8: Ventile
10: Pilotstufe
11: Vormischstufe
13: Mischvorrichtungen
14: Steuereinheit
15: Sensor
OP: Offene Stellung
CP: Geschlossene Stellung
FFOP: Brennstoffdurchsatz mit Ventil in der Offenen Stellung
FFCP: Brennstoffdurchsatz mit Ventil in der Geschlossenen Stellung

Claims

Brennkammer (1), die eine Verbrennungsvorrichtung (2) und einen Versorgungskreis (3) aufweist, der eingerichtet ist, um Brennstoff an eine Vielzahl von Standorten der Verbrennungsvorrichtung (2) zu liefern, wobei der Versorgungskreis (3) Folgendes aufweist: – mindestens einen Verteiler (5a, 5b), der Brennstoff sammelt, der unter mindestens einigen der Standorte verteilt werden soll, – Leitungen (7a, 7b), die von dem mindestens einen Verteiler (5a, 5b) ausgehen und mindestens einige der Standorte speisen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Leitungen (7a, 7b) Ventile (8) tragen, die eine Vielzahl von vorab festgelegten Arbeitsstellungen haben, wobei jede Arbeitsstellung einem anderen Brennstoffdurchsatz durch das Ventil (8) entspricht.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (8) zwei Arbeitsstellungen haben.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Arbeitsstellung die Ventile (8) ganz offen sind.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Arbeitsstellung die Ventile (8) ganz geschlossen sind.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Stufen (10, 11) hat, wobei die Ventile (8) an Leitungen vorgesehen sind, die die gleichen Stufen (10, 11) speisen.
Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verteiler (5a, 5b) für jede der zu speisenden Stufen (10, 11) aufweist.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Standorte der Verbrennungsvorrichtung, deren Leitungen (7a, 7b) mit den Ventilen (8) versehen sind, gleichmäßig über den Umfang der Verbrennungsvorrichtung verteilt sind.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Standort mindestens eine Mischvorrichtung (13) aufweist, wobei der Brennstoff in die Mischvorrichtungen (13) geliefert und mit Luft gemischt wird, um eine Mischung zu erzeugen, die dann in der Verbrennungsvorrichtung (2) verbrannt wird.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungskreis (3) Düsen aufweist, die Brennstoff direkt in die Verbrennungsvorrichtung einspritzen.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um die Ventile (8) zu steuern und anzutreiben, eine Steuereinheit (14) vorgesehen ist, die mit Sensoren (15) der Pulsationen und/oder Emissionen verbunden ist.
Brennkammer (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) jedes Ventil (8) von der ersten Stellung in die zweite Stellung und umgekehrt antreiben kann, unabhängig von den anderen Ventilen (8).
Verfahren zum Dämpfen von Pulsationen in einer Brennkammer (1), wobei die Brennkammer (1) eine Verbrennungsvorrichtung (2) und einen Versorgungskreis (3) aufweist, der eingerichtet ist, um Brennstoff an eine Vielzahl von Standorten der Verbrennungsvorrichtung (2) zu speisen, wobei der Versorgungskreis (3) Folgendes aufweist: – mindestens einen Verteiler (5a, 5b), der Brennstoff sammelt, der unter mindestens einigen der Standorte verteilt werden soll, – Leitungen (7a, 7b), die von dem mindestens einen Verteiler (5a, 5b) ausgehen und mindestens einige der Standorte speisen, und – einigen Leitungen (7a, 7b) Ventile (8) tragen, die eine Vielzahl von vorab festgelegten Arbeitsstellungen haben, wobei jede Arbeitsstellung einem anderen Brennstoffdurchsatz durch das Ventil (8) entspricht, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Dämpfen der Pulsationen durch online Regeln des Brennstoffdurchsatzes an mindestens einigen der Standorte durch Auswahl der Arbeitsstellung der Ventile (8).
Verfahren zum Nachrüsten einer Brennkammer (1), die eine Verbrennungsvorrichtung (2) und einen Versorgungskreis (3) aufweist, der eingerichtet ist, um Brennstoff an eine Vielzahl von Standorten der Verbrennungsvorrichtung (2) zu speisen, wobei der Versorgungskreis (3) Folgendes aufweist: – mindestens einen Verteiler (5a, 5b), der Brennstoff sammelt, der unter mindestens einigen der Standorte verteilt werden soll, – Leitungen (7a, 7b), die von dem mindestens einen Verteiler (5a, 5b) ausgehen und mindestens einige der Standorte speisen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens einige der Leitungen (7a, 7b) mit Ventilen (8) versehen werden, die eine Vielzahl von vorab festgelegten Arbeitsstellungen haben, wobei jede Arbeitsstellung einem anderen Brennstoffdurchsatz durch das Ventil (8) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) eine Vielzahl von Stufen (10, 11) hat, wobei die Ventile (8) an Leitungen (7a, 7b) vorgesehen sind, die die gleichen Stufen (10, 11) speisen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Standorte der Verbrennungsvorrichtung, deren Leitungen (7a, 7b) mit den Ventilen (8) versehen sind, gleichmäßig auf dem Umfang der Verbrennungsvorrichtung verteilt sind.