DE102012204162A1

DE102012204162A1 - Ring combustor bypass

Info

Publication number: DE102012204162A1
Application number: DE102012204162A
Authority: DE
Inventors: Francois Benkler; Thomas Brandenburg; Olga Deiss; Thomas Grieb; Marco Link; Nicolas Savilius; Daniel Vogtmann; Jan Wilkes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-19
Also published as: CN104169649B; WO2013135859A3; US20150007573A1; EP2812636B1; KR20140138710A; WO2013135859A2; CN104169649A; EP2812636A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer (1) für eine Gasturbine mit einer Außenschale (12) die mindestens eine Einlassöffnung (4) für einen Brenner (3) und einen in einen Turbinenraum (8) mündenden Auslass (7) aufweist, wobei in der Außenschale (12) im Bereich des Auslasses (7) verschließbare und im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse (2) der Ringbrennkammer (1) ausgerichtete Kanäle (14) vorgesehen sind, durch die Verdichterendluft in die Ringbrennkammer (1) führbar ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Gasturbine.The invention relates to an annular combustion chamber (1) for a gas turbine having an outer shell (12) which has at least one inlet opening (4) for a burner (3) and an outlet (7) opening into a turbine space (8). 12) in the region of the outlet (7) closable and substantially parallel to the axis of symmetry (2) of the annular combustion chamber (1) aligned channels (14) are provided by the Verdichterendluft into the annular combustion chamber (1) can be guided. The invention further relates to a gas turbine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer mit einem Bypass zur Verringerung der Kohlenmonoxidemissionen im Teillastbetrieb sowie eine Gasturbine mit einer solchen Ringbrennkammer. The invention relates to an annular combustion chamber with a bypass for reducing the carbon monoxide emissions in part-load operation and a gas turbine with such an annular combustion chamber.

Im Teillastbetrieb der Gasturbine fällt die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer ab. Dadurch fällt auch die für die Kohlenmonoxidemissionen relevante Primärzonentemperatur unter einen Minimalwert, wodurch verstärkt Kohlenmonoxid erzeugt bzw. ausgestoßen wird. Da dies vermieden werden soll, ist der nutzbare Teillastbereich der Gasturbine begrenzt. In part-load operation of the gas turbine, the combustion temperature drops in the combustion chamber. As a result, the primary zone temperature relevant for the carbon monoxide emissions also falls below a minimum value, whereby carbon monoxide is increasingly generated or expelled. Since this should be avoided, the usable partial load range of the gas turbine is limited.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ringbrennkammer der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine beträchtliche Vergrößerung des nutzbaren Teillastbereichs ermöglicht. The object of the invention is to provide an annular combustion chamber of the type mentioned, which allows a considerable increase in the usable partial load range.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Ringbrennkammer für eine Gasturbine mit einer Außenschale die mindestens eine Einlassöffnung für einen Brenner und einen in einen Turbinenraum mündenden Auslass aufweist, in der Außenschale im Bereich des Auslasses verschließbare und im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse der Ringbrennkammer ausgerichtete Kanäle vorgesehen sind, durch die Verdichterendluft in die Ringbrennkammer führbar ist. The invention solves this problem by providing that in such an annular combustion chamber for a gas turbine with an outer shell which has at least one inlet opening for a burner and an outlet opening into a turbine chamber, closable in the outer shell in the region of the outlet and substantially parallel to Symmetryeachse the annular combustion chamber aligned channels are provided, can be guided by the Verdichterendluft into the annular combustion chamber.

Durch diese Maßnahme kann Verdichterluft in einem Bereich am Ende der Brennkammer eingeführt werden, ohne an der Verbrennung teilzunehmen, d.h., sie wird erst nach dem Verbrennungsprozess wieder dem Luft-Brennstoffgemisch zugeführt. Das bewirkt, dass das fettere Gemisch im Brennraum unter höheren Temperaturen verbrannt werden kann und somit die Kohlenmonoxidemissionen im Teillastbetrieb verringert werden können. By this measure, compressor air can be introduced in an area at the end of the combustion chamber without participating in the combustion, that is, it is returned to the air-fuel mixture only after the combustion process. This means that the greasy mixture in the combustion chamber can be burned at higher temperatures and thus the carbon monoxide emissions can be reduced in part-load operation.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Ringbrennkammer eine im Bereich des Auslasses im Inneren der Ringbrennkammer an der Außenschale in Umfangsrichtung angeordnete letzte Reihe von Hitzeschildplatten und eine in Richtung der mindestens einen Einlassöffnung neben der letzten Reihe angeordnete vorletzte Reihe von Hitzeschildplatten, wobei zwischen der letzten und vorletzten Reihe von Hitzeschildplatten im Bereich der Kanäle ein Spalt vorgesehen ist. Durch diesen Spalt kann die Verdichterendluft ungestört in die Brennkammer einströmen. In an advantageous embodiment, the annular combustion chamber comprises a last row of heat shield plates arranged in the region of the outlet in the interior of the annular combustion chamber on the outer shell and a penultimate row of heat shield plates arranged in the direction of the at least one inlet opening next to the last row, between the last and penultimate Series of heat shield plates in the region of the channels a gap is provided. Through this gap, the compressor discharge air can flow undisturbed into the combustion chamber.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zum Schließen und Öffnen der Kanäle an der Außenseite der Außenschale eine Stellvorrichtung vorgesehen ist, die Ringsegmente umfasst, die einen Ring bilden, der koaxial zur Ringbrennkammer ausgerichtet und bezogen auf die Ringbrennkammer axial verschiebbar ist. Die Ringsegmente haben den Vorteil der einfacheren Montage bzw. Demontage. Furthermore, it is advantageous if, for closing and opening the channels on the outer side of the outer shell, an adjusting device is provided which comprises ring segments which form a ring which is aligned coaxially with the annular combustion chamber and axially displaceable relative to the annular combustion chamber. The ring segments have the advantage of easier assembly and disassembly.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Ring der Stellvorrichtung stufenlos verschiebbar ist, um je nach Bedarf eine gewünschte Spaltgröße einstellen und somit eine bestimmte Luftmenge aus der Verdichterendluft vor der Verbrennung entnehmen zu können. It is expedient if the ring of the adjusting device is continuously displaceable in order to set as desired a desired gap size and thus to be able to remove a certain amount of air from the Verdichterendluft prior to combustion can.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weisen die Ringsegmente auf ihrer turbinenabgewandten Seite Aufsätze zum Eingriff in die Kanäle auf. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Aufsätze trapezförmig ausgebildet sind. Durch die Aufsätze, insbesondere durch ihre Trapezform lässt sich die durch die Kanäle zu leitende Luftmenge besonders genau einstellen. Die Kanäle können natürlich auch ganz verschlossen werden. Dabei wird der Ring über einen Mechanismus nur in axialer Richtung bewegt. Für einen solchen Mechanismus zur Steuerung und Bewegung der Ringsegmente gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann dies über Motoren, Hebel-, Hydraulikmechanismen, etc. geschehen, die z. B. den Ring auf Schienen oder anderen Bewegungselementen axial verschieben. Wahlweise können diese Mechanismen auch innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angebracht sein. In an advantageous embodiment of the invention, the ring segments on their turbine side facing away from essays for engagement in the channels. It is expedient if the essays are trapezoidal. Through the essays, in particular by their trapezoidal shape, the air to be passed through the channels can be set very precisely. The channels can of course be completely closed. The ring is moved by a mechanism only in the axial direction. There are various possibilities for such a mechanism for controlling and moving the ring segments. So this can be done via motors, levers, hydraulic mechanisms, etc., the z. B. axially move the ring on rails or other motion elements. Optionally, these mechanisms may also be mounted inside or outside the housing.

Im Hinblick auf die hohen Temperaturen im Betrieb der Ringbrennkammer ist es vorteilhaft, wenn die Aufsätze der Ringsegmente auf ihren dem Heißgas der Verbrennung ausgesetzten Oberflächen eine Wärmedämmschicht (thermal barrier coating, TBC) aufweisen. Aus demselben Grund ist es zweckmäßig, wenn auch das Innere der Außenschale im Bereich des Spaltes zwischen der letzten und der vorletzten Reihe der Hitzeschildplatten, also zwischen den Öffnungen der Kanäle zum Brennkammerinneren hin eine Wärmedämmschicht aufweist. In Ringbrennkammern aus dem Stand der Technik grenzen die letzte und die vorletzte Reihe der Hitzeschildplatten noch aneinander an und das Innere der Außenschale war durch die Hitzeschildplatten ausreichend geschützt. Durch den erfindungsbedingt entstandenen Spalt ist die Außenschale in diesem Bereich den Heißgasen der Verbrennung verstärkt ausgesetzt. In view of the high temperatures during operation of the annular combustion chamber, it is advantageous if the attachments of the ring segments have a thermal barrier coating (TBC) on their surfaces exposed to the hot gas of the combustion. For the same reason, it is expedient if the interior of the outer shell in the region of the gap between the last and the penultimate row of the heat shield plates, ie between the openings of the channels to the combustion chamber interior has a heat-insulating layer. In prior art annular combustion chambers, the last and penultimate rows of heat shield plates still abut each other and the interior of the outer shell was sufficiently protected by the heat shield plates. Due to the gap caused by the invention, the outer shell in this area is more exposed to the combustion gases.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die letzte Reihe von Hitzeschildplatten, die von allen Hitzeschildplatten von der Kernzone der Verbrennung am weitesten entfernt liegt, metallisch und die vorletzte Reihe keramisch ist, weil einerseits die Einsatztemperatur von keramischen Werkstoffen deutlich über der maximalen Einsatztemperatur von hochwarmfesten Metalllegierungen liegt und andererseits die hochwarmfesten metallischen Legierungen eine geringere Sprödigkeit und ein besseres Wärme- und Temperaturleitverhalten aufweisen. It is also useful if the last row of heat shield plates, which is the farthest from all heat shield plates of the core zone of combustion, metallic and the penultimate row is ceramic, because on the one hand, the operating temperature of ceramic materials is well above the maximum operating temperature of high temperature metal alloys and on the other hand, the high temperature metallic alloys have less brittleness and better thermal and thermal conductivity.

Mit der Erfindung wird schließlich eine neuartige Gasturbine angegeben, in welche eine erfindungsgemäße Ringbrennkammer integriert ist. With the invention, finally, a novel gas turbine is specified, in which an annular combustion chamber according to the invention is integrated.

Durch die stufenlos einstellbare Stellvorrichtung gemäß der Erfindung zum Einleiten von Verdichterendluft in eine Zone am Ende der Brennkammer, d.h. nachdem die Verbrennung stattgefunden hat, lassen sich Kohlenmonoxidemissionen im Teillastbetrieb verringern, weil sich aufgrund einer fetteren Mischung höhere Verbrennungstemperaturen einstellen. The infinitely adjustable actuator according to the invention for introducing compressor discharge air into a zone at the end of the combustion chamber, i. After the combustion has taken place, carbon monoxide emissions in part-load operation can be reduced because higher combustion temperatures occur due to a richer mixture.

Gegenüber aktuellen Designs erfolgt kein Kühlluftmehrverbrauch im Grundlastbetrieb. Compared to current designs, there is no additional cooling air consumption during base load operation.

Weiterhin lässt sich die Erfindung relativ einfach umsetzen, da die Ringsegmente, beispielsweise zwei Ringhälften, einfache Bauteile sind, die nur axial verschoben werden müssen. Furthermore, the invention can be implemented relatively easily, since the ring segments, for example two ring halves, are simple components which only have to be displaced axially.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich: The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings. Shown schematically and not to scale:

1 ein Verbrennungssystem mit einer Ringbrennkammer nach der Erfindung, 1 a combustion system with an annular combustion chamber according to the invention,

2 die der Turbine zugewandte Seite der Ringbrennkammer mit Stellvorrichtung auf der Außenschale und Bypasskanälen, 2 the turbine facing side of the annular combustion chamber with adjusting device on the outer shell and bypass channels,

3 einen Halbring der Stellvorrichtung für den Bypass, 3 a half-ring of the adjusting device for the bypass,

4 eine metallische Hitzeschildplatte nach dem Stand der Technik, 4 a metallic heat shield plate according to the prior art,

5 eine metallische Hitzeschildplatte für die Ringbrennkammer nach der Erfindung und 5 a metallic heat shield plate for the annular combustion chamber according to the invention and

6 die Innenseite der Ringbrennkammer im Bereich des Auslasses. 6 the inside of the annular combustion chamber in the area of the outlet.

Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft das Verbrennungssystem einer Ringbrennkammer 1 nach der Erfindung. Die Ringbrennkammer 1 besteht aus einem geschlossenen Ring der um eine Rotorachse 2 angeordnet ist. Brenner 3 sind im oberen Bereich der Brennkammer 1 in Einlassöffnungen 4 angeordnet. Dort findet die Vermischung des Brennstoffs 5 mit der Verdichterluft 6 statt. In der Brennkammer 1 erfolgt die eigentliche Verbrennung. Durch den Auslass 7 gelangen die heißen Verbrennungsgase in den Turbinenraum 8, wo sie auf die erste stehende Leitschaufel 9 treffen. Zum Schutz vor Verzunderungen ist die Ringbrennkammer 1 mit keramischen Hitzeschilden 10 und metallischen Hitzeschilden 11 ausgekleidet, die an der Außenschale 12 befestigt sind. The 1 shows schematically and exemplarily the combustion system of an annular combustion chamber 1 according to the invention. The ring combustion chamber 1 consists of a closed ring around a rotor axis 2 is arranged. burner 3 are in the upper part of the combustion chamber 1 in inlet openings 4 arranged. There is a mixture of fuel 5 with the compressor air 6 instead of. In the combustion chamber 1 the actual combustion takes place. Through the outlet 7 The hot combustion gases enter the turbine room 8th where she is on the first standing vane 9 to meet. To protect against scaling is the annular combustion chamber 1 with ceramic heat shields 10 and metallic heat shields 11 lined on the outer shell 12 are attached.

Gemäß der Erfindung wird die Brennkammeraußenschale 12 im Bereich des Auslasses 7 zwischen der letzten keramischen Hitzeschildreihe 13 (= der vorletzten Hitzeschildreihe) und der metallischen Einlaufschalenplatte (= der letzten Hitzeschildreihe 11) mit Kanälen 14 versehen, die im Wesentlichen parallel zur Achse 2 der Ringbrennkammer 1 orientiert sind. According to the invention, the combustion chamber outer shell 12 in the area of the outlet 7 between the last ceramic heat shield series 13 (= the penultimate heat shield row) and the metallic inlet tray plate (= the last heat shield row 11 ) with channels 14 provided substantially parallel to the axis 2 the annular combustion chamber 1 are oriented.

Damit diese Kanäle 14 je nach Bedarf geschlossen oder geöffnet werden können, ist an der Außenseite der Außenschale 12 eine Stellvorrichtung 15 vorgesehenen, wie sie in 2 dargestellt ist. Die Stellvorrichtung 15 weist Ringsegmente 16, beispielsweise zwei Halbringe, auf, wie in 3 einer gezeigt ist. Mit entsprechenden Aufsätzen 17 können bestimmte Spaltgrößen in den Kanälen 14 eingestellt, bzw. diese sogar ganz verschlossen werden. So these channels 14 can be closed or opened as needed, is on the outside of the outer shell 12 an actuator 15 provided as they are in 2 is shown. The adjusting device 15 has ring segments 16 For example, two half rings, as in 3 one is shown. With appropriate essays 17 can have certain gap sizes in the channels 14 set, or these are even completely closed.

Um diese Lufteinströmung in die Ringbrennkammer 1 zu ermöglichen, sind die metallischen Einlaufschalenplatten, d.h. die die Platten der letzten Hitzeschildreihe 11 gegenüber einer Hitzeschildplatte 18 der letzten Reihe einer Ringbrennkammer aus dem Stand der Technik verkürzt. 4 zeigt eine solche Hitzeschildplatte 18 der letzten Reihe einer Ringbrennkammer aus dem Stand der Technik, sowie die an der gestrichelten Linie vorgenommene Kürzung um eine metallische Hitzeschilplatte 11 zu erhalten, wie sie 5 zeigt und wie sie für die vorliegende Erfindung benötigt wird. To this air inflow into the annular combustion chamber 1 to allow, are the metallic inlet tray plates, ie the plates of the last heat shield row 11 opposite a heat shield plate 18 shortened the last row of a ring combustion chamber of the prior art. 4 shows such a heat shield plate 18 the last row of a ring combustion chamber of the prior art, as well as made on the dashed line cut to a metal heat sheath plate 11 to get, like her 5 shows and how it is needed for the present invention.

6 zeigt eine Sicht der Innenseite der Ringbrennkammer 1 mit letzter 11 und vorletzter 13 Hitzeschildplattenreihe sowie die Öffnungen 20 der Kanäle 14 in der Außenschale 12 für den Luftbypass bei Teillast. 6 shows a view of the inside of the annular combustion chamber 1 with last 11 and penultimate 13 Hitzeschildplattenreihe and the openings 20 of the channels 14 in the outer shell 12 for the air bypass at partial load.

Da gemäß der Erfindung die letzte Reihe 11 der Hitzeschildplatten gegenüber den Hitzeschildplatten aus dem Stand der Technik verkürzt ist und an der Außenschale 12 der Ringbrennkammer 1 so angeordnet ist, dass sie nicht mehr unmittelbar an die vorletzte Reihe der Hitzeschildplatten 13 anschließt, besteht ein Spalt 19 in Umfangsrichtung der Ringbrennkammer 1 ohne den bisherigen Hitzeschutz. In diesem Spalt 19 öffnen sich die Kanäle 14 in das Innere der Ringbrennkammer 1. Die Außenschale 12 zwischen diesen Öffnungen 20 ist im Betrieb der Ringbrennkammer 1 sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Um die Außenschale 12 trotz Spalt 19 vor diesen Temperaturen zu schützen, ist das Innere der Außenschale 12 im Bereich des Spalts 19 zwischen der letzten 11 und der vorletzten Reihe 13 der Hitzeschildplatten, also zwischen den Öffnungen 20 der Kanäle 14 zum Brennkammerinneren hin mit einer Wärmedämmschicht versehen. As according to the invention, the last row 11 the heat shield plates is shortened compared to the heat shield plates of the prior art and on the outer shell 12 the annular combustion chamber 1 arranged so that they are no longer directly adjacent to the penultimate row of heat shield plates 13 connects, there is a gap 19 in the circumferential direction of the annular combustion chamber 1 without the previous heat protection. In this gap 19 the channels open 14 into the interior of the annular combustion chamber 1 , The outer shell 12 between these openings 20 is in operation of the annular combustion chamber 1 exposed to very high temperatures. To the outer shell 12 despite gap 19 To protect from these temperatures is the inside of the outer shell 12 in the area of the gap 19 between the last 11 and the penultimate row 13 the heat shield plates, so between the openings 20 of the channels 14 provided to the combustion chamber interior with a thermal barrier coating.

Auch die Aufsätze 17 der Ringsegmente 16 auf ihren dem Heißgas der Verbrennung ausgesetzten Oberflächen weisen eine Wärmedämmschicht auf. Also the essays 17 the ring segments 16 on their exposed to the hot gas combustion surfaces have a thermal barrier coating.

Claims

Annular combustion chamber ( 1 ) for a gas turbine with an outer shell ( 12 ) the at least one inlet opening ( 4 ) for a burner ( 3 ) and one into a turbine room ( 8th ) outlet ( 7 ), characterized in that in the outer shell ( 12 ) in the area of the outlet ( 7 ) closable and substantially parallel to the axis of symmetry ( 2 ) of the annular combustion chamber ( 1 ) aligned channels ( 14 ) are provided by the compressor discharge air into the annular combustion chamber ( 1 ) is feasible.

Annular combustion chamber ( 1 ) according to claim 1, comprising one in the region of the outlet ( 7 ) inside the annular combustion chamber ( 1 ) on the outer shell ( 12 ) arranged in the circumferential direction last row of heat shield plates ( 11 ) and one in the direction of the at least one inlet opening ( 4 ) next to the last row ( 11 ) arranged next to last row of heat shield plates ( 13 ), whereby between the last ( 11 ) and penultimate ( 13 ) Row of heat shield plates in the area of the opening ( 20 ) of the channels ( 14 ) into the interior of the annular combustion chamber ( 1 ) A gap ( 19 ) is provided.

Annular combustion chamber ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein for closing and opening the channels ( 14 ) on the outside of the outer shell ( 12 ) an adjusting device ( 15 ), the ring segments ( 16 ) which form a ring which is coaxial with the annular combustion chamber ( 1 ) and related to the annular combustion chamber ( 1 ) is axially displaceable.

Annular combustion chamber ( 1 ) according to claim 3, wherein the ring is continuously displaceable.

Annular combustion chamber ( 1 ) according to one of claims 3 or 4, wherein the ring segments ( 16 ) on its side facing away from the turbines Articles ( 17 ) for engaging in the channels ( 14 ) exhibit.

Annular combustion chamber ( 1 ) according to claim 5, wherein the articles ( 17 ) are trapezoidal.

Annular combustion chamber ( 1 ) according to one of claims 5 or 6, wherein the attachments ( 17 ) on hot gas exposed surfaces have a thermal barrier coating.

Annular combustion chamber ( 1 ) according to one of claims 2 to 7, wherein the interior of the outer shell ( 12 ) in the region of the gap ( 19 ) has a thermal barrier coating.

Annular combustion chamber ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the last row of heat shield plates ( 11 ) metallic and the penultimate row ( 13 ) is ceramic.

Gas turbine with an annular combustion chamber ( 1 ) according to any one of the preceding claims.