DE112006001317T5

DE112006001317T5 - Gasturbinen-Brennkammer

Info

Publication number: DE112006001317T5
Application number: DE112006001317T
Authority: DE
Inventors: Koichi Takasago Ishizaka; Eisaku Takasago Ito; Satoshi Takasago Tanimura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-06-03
Also published as: WO2006132152A1; CN101080596B; CN101080596A; JP2006336995A; US20080289341A1; DE112006001317B4; JP4486549B2; US8671690B2

Abstract

Brennkammer einer Gasturbine, wobei die Brennkammer einen Verbrennungsbrenner aufweist, mit:
einer Brennstoffdüse, und
Verwirbelungsflügeln, die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse erstrecken, und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung von entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse strömender Luft krümmen, um die Luft um die Brennstoffdüse herum zu verwirbeln,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennkammer umfasst:
Einspritzlöcher, die in jedem Verwirbelungsflügel zum Einspritzen eines Brennstoffs ausgebildet sind,
Brennstoffdurchgänge zum individuellen Zuführen des Brennstoffs zu den in jedem Verwirbelungsflügel ausgebildeten Einspritzlöchern,
in den jeweiligen Brennstoffdurchgängen vorgesehene Ventile, und
einen Steuerabschnitt zum Steuern des Öffnens oder Schließens der Ventile,
wobei der Steuerabschnitt alle Ventile in einen Öffnungszustand versetzt, wenn sich die Gasturbine in einem Volllaststadium befindet, und
einen Öffnungsgrad bestimmter Ventile gemäß einer Last...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer einer Gasturbine. Die Erfindung wendet Merkmale an, die eine neuartige Stufensteuerung ("staging control") durchführen können, und ist dadurch imstande, eine Gasturbine hocheffizient zu betreiben, während Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannter Brennstoff (UHC: unburned hydrocarbon), die in einem Abgas enthalten sind, auch bei einem Betrieb der Gasturbine unter geringer Last verringert werden.
Eine bei der Stromerzeugung etc. verwendete Gasturbine umfasst einen Kompressor, eine Brennkammer und eine Turbine als Hauptelemente. Die Gasturbine hat oft mehrere Brennkammern und mischt Luft, die durch den Kompressor komprimiert wird, mit einem den Brennkammern zugeführten Brennstoff, und verbrennt das Gemisch in jeder Brennkammer, um ein Hochtemperatur-Verbrennungsgas zu erzeugen. Dieses Hochtemperatur-Verbrennungsgas wird der Turbine zugeführt, um die Turbine zur Drehung anzutreiben.
Im folgenden wird ein Beispiel der Brennkammer einer herkömmlichen Gasturbine unter Bezugnahme auf 12 beschrieben.
Wie in 12 gezeigt ist, sind mehrere Brennkammern 10 dieser Gasturbine ringförmig in einem Brennkammergehäuse 11 angeordnet (nur eine Brennkammer ist in 12 dargestellt). Das Brennkammergehäuse 11 und ein Gasturbinengehäuse 12 sind mit Druckluft gefüllt und bilden einen Gehäuseraum 13. Luft, die von einem Kompressor komprimiert wurde, wird in diesen Gehäuseraum 13 eingeleitet. Die eingeleitete Druckluft tritt in den Innenraum der Brennkammer 10 über einen in einem stromaufwärtigen Abschnitt der Brennkammer 10 vorgesehenen Lufteinlaß 14 ein. Im Inneren eines Innenrohrs 15 der Brennkammer 10 werden ein von einer Brennstoffdüse 16 zugeführter Brennstoff und Druckluft gemischt und verbrannt.
Ein durch die Verbrennung erzeugtes Verbrennungsgas wird durch ein Übergangsrohr 17 geleitet und einem Turbinenraum zugeführt, um einen Turbinenrotor zu drehen.
13 ist eine perspektivische Ansicht der Brennstoffdüse 16, des Innenrohrs 15 und des Übergangsrohrs 17 in getrenntem Zustand. Wie in dieser Zeichnung gezeigt ist, hat die Brennstoffdüse 16 mehrere Vorgemischbrennstoffdüsen 16a und eine Pilotbrennstoffdüse 16b. Mehrere Verwirbelungselemente 18 sind in dem Innenrohr 15 vorgesehen. Die mehreren Vorgemischbrennstoffdüsen 16a durchsetzen die Verwirbelungselemente 18 und sind dann in das Innenrohr 15 eingesetzt.
Somit wird der von den Vorgemischbrennstoffdüsen 16a eingespritzte Brennstoff mit Luft, die von den Verwirbelungselementen 18 in einen Wirbelstrom versetzt wurde, vorgemischt und in dem Innenrohr 15 verbrannt.
Bei dem Beispiel der 12 und 13 ist die Brennstoffdüse 16 in die in dem Innenrohr 15 vorgesehenen Verwirbelungselemente eingesetzt. Es gibt aber auch eine Brennkammer der Art, bei der mehrere Verwirbelungselemente, (Verwirbelungsflügel) an der Außenumfangsfläche einer Brennstoffdüse vorgesehen sind und Brennstoff von den Verwirbelungselementen eingespritzt wird.
Bei der Brennkammer mit den mehreren Verwirbelungselementen (Verwirbelungsflügeln), die an der Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse vorgesehen sind, wird eine magere Vorgemischverbrennung als Technik zur Steigerung des Wirkungsgrads der Gasturbine angewandt, während die Erzeugung von CO und UHC verringert wird. Wenn eine solche magere Vorgemischverbrennung angewandt wird, muß das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Luft (das Brennstoff-/Luft-Verhältnis: F/A) in einem "spezifischen Bereich" gehalten werden, um die Entstehung von CO und die Entstehung von UHC gleichzeitig zu mindern.

Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 1999-14055
Patentdokument 2: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2004-12039

Von der Erfindung zu lösende Probleme
Bei der mit der Brennkammer mit den mehreren an der Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse vorgesehenen Verwirbelungselementen (Verwirbelungsflügeln) ausgestatteten Gasturbine nimmt die Menge des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs bei sinkender Last ab, wobei sich eine Teillast ergibt. Auch wenn sich eine solche Teillast ergibt, war es in der Praxis üblich, den Brennstoff aus allen Verwirbelungsflügeln, die an der Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse der Brennkammer vorgesehen sind, einzuspritzen, um die Verbrennung durchzuführen. Damit kann das Brennstoff-/Luft-Verhältnis F/A der Brennkammer so niedrig werden, dass es von dem vorgenannten "spezifischen Bereich" abweicht.
Unter der Teillast nach obiger Beschreibung können die herkömmlichen Technologien das Brennstoff-/Luft-Verhältnis F/A zu niedrig werden lassen. In diesem Fall erhöhen sich die erzeugten CO- und UHC-Mengen. Da das Brennstoff-/Luft-Verhältnis F/A niedrig ist, d.h. die Brennstoffkonzentration niedrig ist, nimmt außerdem der Wirkungsgrad der Verbrennung ab.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen herkömmlichen Technologien getätigt. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer einer Gasturbine der Art bereitzustellen, die mehrere Verwirbelungselemente (Verwirbelungsflügel) aufweist, die an der Außenumfangsfläche einer Brennstoffdüse vorgesehen sind, wobei die Brennkammer einen hochwirksamen Betrieb durchführen kann, während in einem Abgas enthaltenes Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannter Brennstoff (UHC: unburned hydrocarbon) auch dann verringert werden, wenn die Gasturbine unter einer geringen Last betrieben wird.
Mittel zur Lösung der Probleme
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zur Lösung der obigen Probleme besteht in einer Brennkammer einer Gasturbine gemäß Patentanspruch 1, 2, 3 oder 4. Eine erfindungsgemäße Brennkammer weist einen Verbrennungsbrenner auf, mit:
einer Brennstoffdüse, und
Verwirbelungsflügeln, die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse erstrecken, und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung von entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse strömender Luft krümmen, um die Luft um die Brennstoffdüse herum zu verwirbeln, wobei die Brennkammer umfasst:
Einspritzlöcher, die in jedem Verwirbelungsflügel zum Einspritzen eines Brennstoffs ausgebildet sind,
Brennstoffdurchgänge zum individuellen Zuführen des Brennstoffs zu den in jedem Verwirbelungsflügel ausgebildeten Einspritzlöchern,
in den jeweiligen Brennstoffdurchgängen vorgesehene Ventile, und
einen Steuerabschnitt zum Steuern des Öffnens oder Schließens der Ventile,
wobei der Steuerabschnitt alle Ventile in einen Öffnungszustand versetzt, wenn sich die Gasturbine in einem Volllaststadium befindet, und
einen Öffnungsgrad bestimmter Ventile gemäß einer Last steuert, und die restlichen Ventile schließt, wenn sich die Gasturbine in einem Teillaststadium befindet.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht in einer Brennkammer einer Gasturbine, wobei die Brennkammer einen Verbrennungsbrenner aufweist, mit:
einer Brennstoffdüse, und
Verwirbelungsflügeln, die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse erstrecken, und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung von entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse strömender Luft krümmen, um die Luft um die Brennstoffdüse herum zu verwirbeln, wobei die Brennkammer umfasst:
Einspritzlöcher, die in jedem Verwirbelungsflügel zum Einspritzen eines Brennstoffs ausgebildet sind,
Brennstoffdurchgänge zum individuellen Zuführen des Brennstoffs zu den in jedem Verwirbelungsflügel ausgebildeten Einspritzlöchern,
in den jeweiligen Brennstoffdurchgängen vorgesehene Ventile, und
einen Steuerabschnitt zum Steuern des Öffnens oder Schließens der Ventile,
wobei der Steuerabschnitt alle Ventile in einen Öffnungszustand versetzt, wenn sich die Gasturbine in einem Volllaststadium befindet, und
einen Öffnungsgrad der Ventile steuert, die in den Brennstoffdurchgängen vorgesehen sind, um den Brennstoff gemäß einer Last den Einspritzlöchern zuzuführen, die in einer spezifischen Anzahl der aneinandergrenzend in der Umfangsrichtung angeordneten Verwirbelungsflügel ausgebildet sind, und die restlichen Ventile schließt, wenn sich die Gasturbine in einem Teillaststadium befindet.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht in einer Brennkammer einer Gasturbine, wobei die Brennkammer mehrere Verbrennungsbrenner aufweist, die jeweils umfassen:
eine Brennstoffdüse, und
Verwirbelungsflügel, die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse in einem Zustand angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse erstrecken, und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung von entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse strömender Luft krümmen, um die Luft um die Brennstoffdüse herum zu verwirbeln,
wobei
die Brennkammer umfasst:
Einspritzlöcher an einer Innenumfangsseite und Einspritzlöcher an einer Außenumfangsseite, die an einer Innenumfangsseite und einer Außenumfangsseite jedes Verwirbelungsflügels zum Einspritzen eines Brennstoffs ausgebildet sind,
Brennstoffdurchgänge zum individuellen Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern an der Innenumfangsseite und zu den Einspritzlöchern an der Außenumfangsseite, die in jedem Verwirbelungsflügel ausgebildet sind,
in den jeweiligen Brennstoffdurchgängen vorgesehene Ventile, und
einen Steuerabschnitt zum Steuern des Öffnens oder Schließens der Ventile,
wobei der Steuerabschnitt eine Steuerung hinsichtlich der mehreren Verbrennungsbrenner derart durchführt, dass
alle Ventile in einen geöffneten Zustand versetzt werden, wenn sich die Gasturbine in einem Volllaststadium befindet, und
ein Öffnungsgrad der Ventile, die in den Brennstoffdurchgängen vorgesehen sind, um den Brennstoff den Einspritzlöchern an der Innenumfangsseite zuzuführen, gemäß einer Last gesteuert wird, und die Ventile, die in den Brennstoffdurchgängen zum Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern an der Außenumfangsseite vorgesehen sind, geschlossen werden, wenn sich die Gasturbine in einem Teillaststadium befindet.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht in einer Brennkammer einer Gasturbine, wobei die Brennkammer mehrere Verbrennungsbrenner aufweist, die jeweils umfassen:
eine Brennstoffdüse, und
Verwirbelungsflügel, die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse erstrecken, und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung von entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse strömender Luft krümmen, um die Luft um die Brennstoffdüse herum zu verwirbeln,
wobei die Brennkammer umfasst:
Einspritzlöcher, die in jedem Verwirbelungsflügel zum Einspritzen eines Brennstoffs ausgebildet sind, und Einspritzlöcher, die in der Brennstoffdüse zum Einspritzen des Brennstoffs ausgebildet sind,
Brennstoffdurchgänge zum individuellen Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern, die in jedem Verwirbelungsflügel ausgebildet sind, und zu den Einspritzlöchern, die in der Brennstoffdüse ausgebildet sind,
in den jeweiligen Brennstoffdurchgängen vorgesehene Ventile, und
einen Steuerabschnitt zum Steuern des Öffnens oder Schließens der Ventile
wobei der Steuerabschnitt eine Steuerung hinsichtlich der mehreren Verbrennungsbrenner derart durchführt, dass
alle Ventile in einen geöffneten Zustand versetzt werden, wenn sich die Gasturbine in einem Volllaststadium befindet, und
ein Öffnungsgrad der Ventile, die in den Brennstoffdurchgängen zum Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern, die in der Brennstoffdüse ausgebildet sind, gemäß einer Last gesteuert wird, und die Ventile, die in den Brennstoffdurchgängen zum Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern in den Verwirbelungsflügeln vorgesehen sind, geschlossen werden, wenn sich die Gasturbine in einem Teillaststadium befindet.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht in der oben beschriebenen Brennkammer einer Gasturbine, wobei
ein zwischen einer Tangente an einer Durchschnittskrümmungslinie des Verwirbelungsflügels an einer Hinterkante des Verwirbelungsflügels und einer sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse erstreckenden Achslinie gebildeter Winkel 0 bis 10 Grad an einer Innenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels beträgt, und der Winkel an einer Außenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels größer ist als der Winkel an der Innenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht in der oben beschriebenen Brennkammer einer Gasturbine, wobei
ein zwischen einer Tangente an einer Durchschnittskrümmungslinie des Verwirbelungsflügels an einer Hinterkante des Verwirbelungsflügels und einer sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse erstreckenden Achslinie gebildeter Winkel 0 bis 10 Grad an einer Innenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels, und 25 bis 35 Grad an einer Außenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels beträgt.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird die folgende Stufensteuerung ("staging control") in einer Brennkammer einer Gasturbine mit einem Verbrennungsbrenner durchgeführt, der mehrere Verwirbelungsflügel, die an einer Außenumfangsfläche einer Brennstoffdüse vorgesehen sind, sowie Einspritzlöcher, die in jedem der Verwirbelungsflügel vorgesehen sind, aufweist: Wenn die Gasturbine unter Teillast läuft, wird Brennstoff nur durch die in den spezifischen Verwirbelungsflügeln vorgesehenen Einspritzlöcher eingespritzt, und es wird kein Brennstoff durch die in den restlichen Verwirbelungsflügeln vorgesehenen Einspritzlöcher eingespritzt. Damit ist das Brennstoff-Luftverhältnis in dem gesamten Verbrennungsbrenner niedrig, aber das Brennstoff-/Luft-Verhältnis kann in der Umgebung jedes Verwirbelungsflügels (d.h., lokal) erhöht werden. Infolgedessen können auch unter der Teillast die erzeugten CO- und UHC-Mengen gesenkt und der Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Konfigurationszeichnung, die eine Brennkammer einer Gasturbine gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung darstellt,
2 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffdüse und von Verwirbelungsflügeln eines Vorgemischverbrennungsbrenners, der in der Brennkammer gemäß Ausführungsform 1 vorgesehen ist,
3 eine Konfigurationszeichnung, die von einer stromaufwärtigen Seite die Brennstoffdüse und die Verwirbelungsflügel des in der Brennkammer gemäß Ausführungsform 1 vorgesehenen Vorgemischverbrennungsbrenners darstellt,
4 eine Konfigurationszeichnung, die von einer stromabwärtigen Seite die Brennstoffdüse und die Verwirbelungsflügel des in der Brennkammer gemäß Ausführungsform 1 vorgesehenen Vorgemischverbrennungsbrenners darstellt,
5 eine erläuternde Darstellung des Krümmungszustands des Verwirbelungsflügels,
6 eine charakteristische Ansicht zur Darstellung der Beziehung zwischen der Höhe des Verwirbelungsflügels und der Strömungsgeschwindigkeit von Luft,
7 eine charakteristische Ansicht zur Darstellung der Beziehung zwischen der Brennstoffkonzentrationsverteilung und dem Winkel an der Außenumfangsseite des Verwirbelungsflügels,
8 eine Konfigurationszeichnung der Anordnung der Brennkammer gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung,
9 ein Systemdiagramm eines Rohrleitungs-Layoutsystems in der Brennkammer gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung,
10 eine Konfigurationszeichnung der Brennkammer gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung,
11 eine Konfigurationszeichnung einer Modifikation der Ausführungsform 2 der Erfindung,
12 eine Konfigurationszeichnung einer Brennkammer einer herkömmlichen Gasturbine,
13 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffdüse, eines Innenrohrs und eines Übergangsrohrs der Brennkammer der herkömmlichen Gasturbine in auseinandergezogenem Zustand.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung detailliert auf der Basis der nachstehend dargestellten Ausführungsformen beschrieben.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung entwickelte einem Vorgemisch-Brenner einer Gasturbine mit neuartigen Merkmalen, wobei der Brenner Verwirbelungsflügel (Verwirbelungsflügel) aufweist, die an der Außenumfangsfläche einer Brennstoffdüse vorgesehen sind. Der entwickelte neuartige Vorgemischverbrennungsbrenner kann einen Brennstoff gründlich mischen, um ein Brennstoffgas einer gleichmäßigen Konzentration zu bilden, und kann die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffgases vergleichmäßigen, um einen Flammenrückschlag zuverlässig zu vermeiden.
Die folgenden Ausführungsformen erläutern Beispiele, in denen die vorliegende Erfindung bei Brennkammern angewandt ist, die den neuartigen Vorgemischverbrennungsbrenner einsetzen.
Ausführungsform 1
<Gesamtkonfiguration von Ausführungsform 1>
Wie in 1 gezeigt ist, sind in einer Brennkammer 500 einer Gasturbine gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung mehrere (beispielsweise acht) Vorgemischverbrennungsbrenner 100 so angeordnet, dass sie den Umfang eines Pilotverbrennungsbrenners 200 umgeben. Eine Pilotverbrennungsdüse, die nicht dargestellt ist, ist in den Pilotverbrennungsbrenner 200 eingebaut.
Die mehreren (beispielsweise acht) Vorgemischverbrennungsbrenner 100, die parallel in der Umfangsrichtung angeordnet sind, und ein Pilotverbrennungsbrenner 200 bilden eine Brennkammer 500, und mehrere auf diese Weise gebildete Brennkammern 500 sind in der Gasturbine installiert.
Der Vorgemischverbrennungsbrenner 100 umfaßt eine Brennstoffdüse 110, ein Brennerrohr 120 und einen Verwirbelungsflügel (Verwirbelungsflügel) 130 als Hauptelemente.
Das Brennerrohr 120 ist so angeordnet, dass es konzentrisch mit der Brennstoffdüse 110 ist und die Brennstoffdüse 110 umgibt. Somit wird ein ringförmiger Luftdurchgang 111 zwischen der Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse 110 und der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs 120 gebildet.
Druckluft A strömt durch den Luftdurchgang 111 von dessen stromaufwärtiger Seite (der linken Seite in 1) zu dessen stromabwärtiger Seite (der rechten Seite in 1).
Wie in 1, in 2 als perspektivischer Ansicht, in 3 als Ansicht von der stromaufwärtigen Seite und in 4 als Ansicht von der stromabwärtigen Seite gezeigt ist, sind die Verwirbelungsflügel 130 an mehreren Stellen (in der vorliegenden Ausführungsform an sechs Stellen) entlang der Umfangsrichtung der Brennstoffdüse 110 angeordnet und erstrecken sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse 110.
In 1 sind nur zwei der unter einem Winkel von 0 Grad und einem Winkel von 180 Grad entlang der Umfangsrichtung angeordneten Verwirbelungsflügel 130 gezeigt, um das Verständnis zu erleichtern (im Zustand der 1 sind insgesamt vier Verwirbelungsflügel tatsächlich zu erkennen).
Jeder Verwirbelungsflügel 130 ist so ausgestaltet, dass er der durch den Luftdurchgang 111 strömenden Druckluft A ein(e) Verwirbelungskraft bzw. -moment vermittelt, wodurch die Druckluft in einen Luftwirbelstrom a umgewandelt wird. Zu diesem Zweck krümmt sich jeder Verwirbelungsflügel 130 allmählich von seiner stromaufwärtigen Seite zu seiner stromabwärtigen Seite (er ist entlang der Umfangsrichtung geneigt), so dass er die Druckluft A verwirbeln kann. Details des gekrümmten Zustands des Verwirbelungsflügels 130 werden später beschrieben.
Ein Zwischenraum (Spalt) 121 ist zwischen der außenumfangsseitigen Endfläche (Außenseite) jedes Verwirbelungsflügels 130 und der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs 120 vorgesehen.
Ferner ist eine Abstand-Einstellrippe 131 an einer Vorderkantenseite der außenumfangsseitigen Endfläche (Außenseite) jedes Verwirbelungsflügels 130 befestigt. Jede Abstand-Einstellrippe 131 hat eine Höhe (diametrale Länge) der Art, dass ein enger Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs 120 hergestellt wird, wenn die mit den Verwirbelungsflügeln 130 ausgestattete Brennstoffdüse 110 ins Innere des Brennerrohrs 120 eingebaut ist.
Somit ist die Länge (diametrale Länge) jedes zwischen jedem Verwirbelungsflügel 130 und dem Brennerrohr 120 gebildeten Abstands gleich. Ferner wird es einfach, die mit den Verwirbelungsflügeln 130 ausgestattete Brennstoffdüse 110 im Inneren des Brennerrohrs 120 zu montieren.
Einspritzlöcher 133b (durch Kreise mit gestrichelten Linien in 1 und 2 angedeutet) sind in der dorsalen Flügelfläche 132b jedes Verwirbelungsflügels 130 ausgebildet, und Einspritzlöcher 133a (durch Kreise mit durchgezogener Linie in 1 und 2 angedeutet) sind in der ventralen Flügeloberfläche 132a jedes Verwirbelungsflügels 130 ausgebildet. In diesem Fall weisen die Positionen zur Bildung der Einspritzlöcher 133b und der Einspritzlöcher 133a in eine versetzte Anordnung auf.
Bei Betrachtung der benachbarten Verwirbelungsflügel 131 sind somit die Position des Einspritzlochs 133a, das in der ventralen Flügeloberfläche 132a eines der benachbarten Verwirbelungsflügel 131 ausgebildet ist, und die Position des Einspritzlochs 133b, das in der dorsalen Flügeloberfläche 132b des anderen der benachbarten Verwirbelungsflügel 131 ausgebildet ist, in der Position versetzt.
Brennstoffdurchgänge, die nicht gezeigt sind, sind in der Brennstoffdüse 110 und jedem Verwirbelungsflügel 130 ausgebildet, und den jeweiligen Einspritzlöchern 133a, 133b wird über die Brennstoffdurchgänge der Brennstoffdüse 110 und die Brennstoffdurchgänge jedes Verwirbelungsflügels 130 Brennstoff zugeführt.
Somit wird der Brennstoff durch die jeweiligen Einspritzlöcher 133a, 133b zu dem Luftdurchgang 111 eingespritzt. Hierbei sind die Position der Anordnung des Einspritzlochs 133a und die Position der Anordnung des Einspritzlochs 133b versetzt, so dass der durch das Einspritzloch 133a eingespritzte Brennstoff und der durch das Einspritzloch 133b eingespritzte Brennstoff einander nicht stören (kollidieren).
Der eingespritzte Brennstoff wird mit der Luft A (a) gemischt, um ein Brennstoffgas zu bilden, das zur Verbrennung ins Innere eines Innenrohrs geleitet wird.
Die Anordnung der Brennstoffdurchgänge und eine Technik zur Stufensteuerung, die technische Punkte der vorliegenden Ausführungsform sind, werden später beschrieben.
Im folgenden wird der Krümmungszustand des Verwirbelungsflügels 130 unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben.

(1) Jeder Verwirbelungsflügel 130 krümmt sich progressiv von seiner stromaufwärtigen Seite zu seiner stromabwärtigen Seite, so dass er in der Lage ist, die Druckluft A zu verwirbeln.
(2) Was die Axialrichtung (die Longitudinalrichtung der Brennstoffdüse 110) betrifft, so nimmt die Krümmung weiter von der stromaufwärtigen Seite und näher zur stromabwärtigen Seite zu.
(3) An der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 nimmt die Krümmung zu der Außenumfangsseite im Vergleich zu der Innenumfangsseite in bezug auf die Diametralrichtung (die Radialrichtung (die Einspritzrichtung) der Brennstoffdüse 110) zu.

Die oben beschriebene Krümmung an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 bei (3) wird im folgenden unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
In 5 stellen gestrichelte Linien das Flügelprofil (Flügel-Querschnittform) an der Innenumfangsseite (der innersten peripheren Oberfläche) des Verwirbelungsflügels 130 dar, während durchgezogene Linien das Flügelprofil (die Flügelquerschnittsform) an der Außenumfangsseite (der äußersten peripheren Oberfläche) des Verwirbelungsflügels 130 darstellen.
Bei dem Flügelprofil an der Innenumfangsseite, das durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, ist eine Durchschnitts-Krümmungslinie (Skelettlinie) als L11 bezeichnet, und eine Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie L11 an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels ist mit L12 bezeichnet.
Bei dem Flügelprofil an der Außenumfangsseite, das durch die durchgezogenen Linien angedeutet ist, ist eine Durchschnitts-Krümmungslinie (Skelettlinie) mit L21 bezeichnet, und eine Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie L21 an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels ist mit L22 bezeichnet.
Eine Achslinie entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse 110 ist als L0 bezeichnet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie sie in 5 gezeigt ist, ist an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels 130 ein von der Tangente L12 an der Innenumfangsseite und der Achslinie L0 gebildeter Winkel auf 0 Grad eingestellt, und ein von der Tangente L22 an der Außenumfangsseite und der Achslinie L0 gebildeter Winkel ist größer eingestellt als der Winkel an der Innenumfangsseite.
Gemäß Untersuchungen durch den Erfinder hat sich als "optimal" herausgestellt, wenn der von der Achslinie und der Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels gebildete Winkel von der Innenumfangsseite zur Außenumfangsseite zunimmt,

(a) den Winkel an der Innenumfangsseite auf 0 bis 10 Grad einzustellen, und
(b) den Winkel an der Außenumfangsseite auf 25 bis 35 Grad einzustellen.

Hierbei bedeutet der Begriff "optimal"

(i) dass die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a), ob sie nun an der Innenumfangsseite oder an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111 strömt, gleichmäßig ist, und das Auftreten eines Flammenrückschlags (Rückzündung) vermieden werden kann, und
(ii) dass die Brennstoffkonzentration, ob an der Innenumfangsseite oder an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111 gleichmäßig ist.

Der Grund für (i) wird im folgenden beschrieben.
Es wird davon ausgegangen, dass der von der Tangente an die Durchschnitts-Krümmungslinie und der Achslinie an der Innenumfangsseite gebildete Winkel gleich dem an der Außenumfangsseite eingestellt ist. In diesem Fall wird eine Stromlinie (Luftstrom), die von der Innenumfangsseite zur Außenumfangsseite gerichtet ist, erzeugt. Infolgedessen wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a), die an der Innenumfangsseite des Luftdurchgangs 111 vorbeiströmt (entlang der Axialrichtung durchströmt) niedrig, während die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a), die an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111 vorbeiströmt (entlang der Axialrichtung durchströmt) hoch wird. Die Luftströmungsgeschwindigkeit an der Innenumfangsseite wird auf diese Weise gemindert, und es kommt leicht zu einem Flammenrückschlag an der Innenumfangsseite.
Bei der vorliegenden Erfindung jedoch nimmt der von der Tangente an die Durchschnittskrümmungslinie und die Achslinie gebildete Winkel von der Innenumfangsseite zur Außenumfangsseite zu. Damit kann das Auftreten der von der Innenumfangsseite zur Außenumfangsseite gerichteten Strömungslinie vermieden werden. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a) wird gleichmäßig, ob sie nun an der Innenumfangsseite oder der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs (111) strömt, und das Auftreten eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) kann vermieden werden.
Der Grund für obigen Punkt (ii) wird im folgenden beschrieben.
Die Umfangslänge des Luftdurchgangs 111 ist kurz an der Innenumfangsseite und lang an der Außenumfangsseite. Bei der vorliegenden Erfindung nimmt der von der Tangente an die Durchschnittskrümmungslinie und der Achslinie gebildete Winkel von der Innenumfangsseite zu der Außenumfangsseite hin zu. Damit ist die der Druckluft A einen Wirbelstrom vermittelnde Kraft (Effekt) an der Außenumfangsseite mit der größeren Umfangslänge stärker als an der Innenumfangsseite mit der kleineren Umfangslänge. Infolgedessen ist die der Druckluft A eine Verwirbelung vermittelnde Kraft pro Längeneinheit gleichmäßig, und zwar nicht nur an der Innenumfangsseite, sondern auch an der Außenumfangsseite. Damit ist die Brennstoffkonzentration an der Außenumfangsseite ebenso wie an der Innenumfangsseite gleichmäßig.
Der Grund, warum der von der Achslinie und der Tangente an die Durchschnittskrümmungslinie an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels gebildete Winkel

(a) auf 0 bis 10 Grad als Winkel an der Innenumfangsseite, und
(b) auf 25 bis 35 Grad als Winkel an der Außenumfangsseite eingestellt wird, wird mit Bezug auf 6 und 7 erläutert, die charakteristische Ansichten zur Darstellung von Untersuchungsergebnissen sind. Die in 6 und 7 gezeigten "Winkel" sind von der Achslinie und der Tangente an die Durchschnittskrümmungslinie an der Hinterkante des Verwirbelungsflügels gebildete Winkel.

6 ist eine charakteristische Ansicht, bei der die Ordinate die Höhe (%) des Verwirbelungsflügels 130 darstellt, und die Abszisse die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a) darstellt. Die Höhe des Verwirbelungsflügels von 100% bedeutet die äußerste periphere Position des Verwirbelungsflügels, und die Höhe des Verwirbelungsflügels von 0% bedeutet die innerste periphere Position des Verwirbelungsflügels.
6 zeigt eine Charakteristik bei einem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 5 Grad, bei einem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 30 Grad, einem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 35 Grad, und einem Winkel an der Innenumfangsseite von 20 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 20 Grad.
7 ist eine charakteristische Ansicht, bei der die Brennstoffkonzentrationsverteilung an der Ordinate aufgetragen ist, und der Winkel an der Außenumfangsseite als Abszisse aufgetragen ist. Die Brennstoffkonzentrationsverteilung bezieht sich auf den Unterschied zwischen der maximalen Brennstoffkonzentration und der minimalen Brennstoffkonzentration, wobei ein kleiner Wert der Brennstoffkonzentrationsverteilung bedeutet, dass die Konzentration konstant ist.
7 zeigt eine Charakterisitik bei einem Winkel an der Innenumfangsseite von 20 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite von 20 Grad, sowie bei einem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 Grad und einem Winkel an der Außenumfangsseite mit variierender Größe.
Wie aus 7 ersichtlich ist, welche die Brennstoffkonzentrationsverteilung zeigt, wird die Brennstoffkonzentration gleichmäßig, wenn der Winkel an der Außenumfangsseite 25 Grad oder mehr beträgt.
Wie außerdem aus 6 ersichtlich ist, wird bei dem Winkel an der Innenumfangsseite von 0 bis 10 Grad und dem Winkel an der Außenumfangsseite von 25 bis 35 Grad die Verteilung in der Strömungsgeschwindigkeit in der Flügel-Höhenrichtung bei dem Winkel an der Außenumfangsseite von 25 Grad oder mehr vergleichmäßigt.
Wie oben bemerkt wurde, zeigen die Eigenschaften in 6 und 7, dass

(a) durch Einstellen des Winkels an der Innenumfangsseite auf 0 bis 10 Grad, und
(b) durch Einstellen des Winkels an der Außenumfangsseite auf 25 bis 35 Grad,
(i) die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A (a), ob nun an der Innenumfangsseite oder an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111, gleichmäßig wird und das Auftreten eines Flammenrückschlags (einer Rückzündung) vermieden werden kann, und
(ii) die Brennstoffkonzentration vergleichmäßigt werden kann, ob an der Innenumfangsseite oder an der Außenumfangsseite des Luftdurchgangs 111.

Bei der vorliegenden Erfindung wird, wie oben bemerkt wurde, der Zwischenraum (Spalt) 121 absichtlich zwischen der außenumfangsseitigen Endfläche (Außenseite) jedes Verwirbelungsflügels 130 und der Innenumfangsfläche des Brennerrohrs 120 vorgesehen.
Die dorsale Flügeloberfläche 132b des Verwirbelungsflügels 130 steht unter negativem Druck, während die ventrale Flügeloberfläche 132a des Verwirbelungsflügels 130 unter positivem Druck steht, so dass ein Druckunterschied zwischen der dorsalen Flügeloberfläche 132b und der ventralen Flügeloberfläche 132a herrscht. Somit wird eine Leckströmung von Luft erzeugt, welche den Zwischenraum 121 passiert und von der ventralen Flügeloberfläche 132a zu der dorsalen Flügeloberfläche 132b herum verläuft. Diese Leckströmung und die durch den Luftdurchgang 111 in der Axialrichtung strömende Druckluft A wirken dahingehend, einen Luftwirbelstrom zu erzeugen. Dieser Luftwirbelstrom vermischt den durch die Einspritzlöcher 133a, 133b eingespritzten Brennstoff mit der Luft wirksamer, wodurch die Vergleichmäßigung des Brennstoffgases gefördert wird.
<Anordnungszustand der Brennstoffdurchgänge und Stufensteuerungsverfahren in der Ausführungsform 1>
Als nächstes wird eine Erläuterung zu dem Anordnungszustand der Brennstoffdurchgänge und dem Stufensteuerverfahren in der vorliegenden Ausführungsform 1 geboten.
In der Brennkammer 500 der Gasturbine der vorliegenden Ausführungsform 1 gemäß 8 sind mehrere (acht) der Vorgemischverbrennungsbrenner 100 parallel in der Umfangsrichtung so angeordnet, dass sie den Umfang des einen Pilotverbrennungsbrenners 200 umgeben.
In den folgenden Beschreibungspassagen werden 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H als Symbole zur Unterscheidung der einzelnen Vorgemischverbrennungsbrenner benutzt, und 100 wird als Bezugsziffer benutzt, wenn jeder Vorgemischverbrennungsbrenner ohne Unterscheidung dargestellt wird.
Jeder der Vorgemischverbrennungsbrenner 100A bis 100H hat sechs Verwirbelungsflügel 130. Die Einspritzlöcher 130a, 130b sind in jedem Verwirbelungsflügel 130 ausgebildet.
Hierbei ist jeder Verwirbelungsflügel in einer differenzierten Art und Weise dargestellt, indem

(a) die sechs Verwirbelungsflügel, die in dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100A vorgesehen sind, durch die Symbole 130A1, 130A2, 130A3, 130A4, 130A5, 130A5, 130A6 bezeichnet werden,
(b) die sechs Verwirbelungsflügel, die in dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100E vorgesehen sind, durch die Symbole 130B1, 130B2, 130B3, 130B4, 130B5, 130B5, 130B6 bezeichnet werden,
(c) die sechs Verwirbelungsflügel, die in dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100C vorgesehen sind, durch die Symbole 130C1, 130C2, 130C3, 130C4, 130C5, 130C5, 130C6 bezeichnet werden,
(d) die sechs Verwirbelungsflügel, die in dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100D vorgesehen sind, durch die Symbole 130D1, 130D2, 130D3, 130D4, 130D5, 130D5, 130D6 bezeichnet werden,
(e) die sechs Verwirbelungsflügel, die in dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100E vorgesehen sind, durch die Symbole 130E1, 130E2, 130E3, 130E4, 130E5, 130E5, 130E6 bezeichnet werden,
(f) die sechs Verwirbelungsflügel, die in dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100F vorgesehen sind, durch die Symbole 130F1, 130F2, 130F3, 130F4, 130F5, 130F5, 130F6 bezeichnet werden,
(g) die sechs Verwirbelungsflügel, die in dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100G vorgesehen sind, durch die Symbole 130G1, 130G2, 130G3, 130G4, 130G5, 130G5, 130G6 bezeichnet werden,
(h) die sechs Verwirbelungsflügel, die in dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100H vorgesehen sind, durch die Symbole 130H1, 130H2, 130H3, 130H4, 130H5, 130H5, 130H6 bezeichnet werden.

Falls jedes Verwirbelungselement ohne Differenzierung dargestellt ist, wird die Bezugsziffer 130 benutzt.
Das Brennstoffdurchgangssystem in der vorliegenden Ausführungsform 1 ist in 9 dargestellt, die ein schematisches Systemdiagramm ist. Wie in 9 gezeigt ist, wird der von einer Brennstoffpumpe P zugeführte Brennstoff den Einspritzlöchern 133a, 133b der einzelnen Verwirbelungsflügel 130 über einen Brennstoffdurchgang L zugeführt, der von der Brennstoffpumpe P abzweigt.
Die Brennstoffzufuhr wird auch zu dem Pilotverbrennungsbrenner 200 durchgeführt, aber ein Brennstoffdurchgang zum Zuführen des Brennstoffs zu dem Pilotverbrennungsbrenner 200 ist nicht dargestellt.
Die jeweiligen Brennstoffdurchgänge LA1 bis LA5, LB1 bis LB6, LC1 bis LC6, LD1 bis LD6, LE1 bis LE6, LF1 bis LF6, LG1 bis LG6 und LH1 bis LH6, die abgezweigt sind, um den Brennstoff individuell den jeweiligen Verwirbelungsflügeln 130A1 bis 130A6, 130B1 bis 130B6, 130C1 bis 130C6, 130D1 bis 130D6, 130E1 bis 130E6, 130F1 bis 130F6, 130G1 bis 130G6 und 130H1 bis 130H6 zuzuführen, von denen jeder die Einspritzlöcher 133a, 133b aufweist, sind mit Ventilen 300A1 bis 300A6, 300B1 bis 300B6, 300C1 bis 300C6, 300D1 bis 300D6, 300E1 bis 300E6, 300F1 bis 300F6, 300G1 bis 300G6 bzw. 300H1 bis 300H6 versehen.
Falls jedes Ventil ohne Differenzierung dargestellt ist, wird die Bezugsziffer 300 benutzt.
Ein Steuerabschnitt 310 stellt den Öffnungsgrad der jeweiligen Ventile 300A1 bis 300A6, 300B1 bis 300B6, 300C1 bis 300C6, 300D1 bis 300C6, 300D1 bis 300D6, 300F1 bis 300F6, 300G1 bis 300G6 und 300H1 bis 300H6 in Reaktion auf die Last der Gasturbine ein, wodurch die den jeweiligen Verwirbelungs flügeln 130A1 bis 130A6, 130B1 bis 130B6, 130C1 bis 130C6, 130D1 bis 130D6, 130E1 bis 130E6, 130F1 bis 130F6, 130G1 bis 130G6 und 130H1 bis 130H6 zugeführte Brennstoffmenge gesteuert wird.
Der Steuerabschnitt 310 führt eine Öffnungs- und Schließeinstellung jedes Ventils 300 (des Öffnungsgrads) beispielsweise in der folgenden Art und Weise gemäß der Last der Gasturbine durch.
Falls die Last an der Gasturbine eine Volllast ist, bringt der Steuerabschnitt 310 alle Ventile 300 in einen Öffnungszustand. Dadurch wird der Brennstoff durch ein Einspritzlöcher 133a, 133b aller Verwirbelungsflügel 130 eingespritzt.
Falls die Last an der Gasturbine eine Teillast wird, übt der Steuerabschnitt 310 eine Steuerung über den Vorgemischverbrennungsbrenner 100A der Art aus, dass die Ventile 300A1 bis 300A3 geöffnet werden, und ihr Öffnungsgrad entsprechend der Lastgröße eingestellt wird, während die Ventile 300A4 bis 300A6 geschlossen werden. Durch eine solche Steuerung wird der Brennstoff durch die Einspritzlöcher 133a, 133b der Verwirbelungsflügel 130A1 bis 130A3 eingespritzt. Hierbei sind die Verwirbelungsflügel 130A1 bis 130A3 die benachbarten, in der Umfangsrichtung parallelen Verwirbelungsflügel.
Außerdem ist jeder Verwirbelungsflügel 130 schwenkbar. Damit wird der Wirbelluftstrom a (1) grob in eine Strömung, die sich zur Innenumfangsseite (zum Zentrum in der Radialrichtung hin bewegt, und eine Strömung, die sich zu der Außenumfangsseite (zu dem Außenumfang in der Radialrichtung) hin bewegt, unterteilt. Die Verwirbelungsflügel 130A1 bis 130A3 sind die Verwirbelungsflügel, die an Abschnitten angeordnet sind, an denen der Wirbelluftstrom a, der sich zu der Innenumfangsseite hin bewegt, strömt.
Wie oben beschrieben wurde, wird der Brennstoff nicht von allen Verwirbelungsflügeln 130 eingespritzt, sondern der Brennstoff wird nur von den speziellen Verwirbelungsflügeln 130A1 bis 130A3 eingespritzt. Damit ist in dem gesamten Vorgemischverbrennungsbrenner 100A das Brennstoff-/Luft-Verhältnis F/A niedrig. Für die jeweiligen Verwirbelungsflügel 130A1 bis 130A3 betrachtet, d.h. lokal betrachtet, ist aber das Brennstoff-/Luft-Verhältnis F/A hoch. Außerdem sind die jeweiligen Verwirbelungsflügel 130A1 bis 130A3 in der Umfangsrichtung benachbart (d.h. sie bilden eine Gruppe). Somit ist die Proportion, in der der von den Verwirbelungsflügeln 130A1 bis 130A3 eingespritzte Brennstoff mit Umgebungsluft diffundiert und gemischt wird, gering. Folglich ist das Brennstoff-/Luft-Verhältnis F/A an einem lokalen Abschnitt nahe den Verwirbelungsflügeln 130A1 bis 130A4 hoch. Infolgedessen können auch unter Teillast die Austragungsmengen von CO und UHC verringert werden, und es kann eine hocheffiziente Verbrennung gewährleistet werden.
Ferner wird der von den jeweiligen Verwirbelungsflügeln 130A1 bis 130A3 eingespritzte Brennstoff auf dem sich zu der Innenumfangsseite hin bewegenden Luftwirbelstrom transportiert und verbrennt nahe dem Verbrennungsbrenner 100A. Durch diese Verbrennung nahe dem Verbrennungsbrenner 100A wird der Anteil des eingespritzten Brennstoff, der mit Umgebungsluft diffundiert und gemischt wird, verringert, und das lokale Brennstoff-Luft-Verhältnis F/A erhöht sich. Auch unter einer Teillast können die Austragungsmengen von CO und UHC verringert werden, und es kann eine hoch-effiziente Verbrennung gewährleistet werden.
Falls der Brennstoff in den Luftwirbelstrom a, der sich zu der Außenumfangsseite hin bewegt, eingespritzt wird, strömt dieser Brennstoff stromabwärts, während er sich zu der Außenumfangsseite hin ausbreitet. Dabei wird der Brennstoff durch das Brennerrohr 120 (s. 1) verengt und dann verbrannt. Somit ist die Verbrennungsposition von dem Verwirbelungsflügel 130 in der stromabwärtigen Richtung entfernt, womit der Brennstoff durch Luft diffundiert und mit dieser gemischt werden kann. Dies ist von Vorteil zum Verringern der Austragungsmengen von CO und UHC und zum Sicherstellen einer hoch effizienten Verbrennung.
In der obigen Ausführungsform steuert der Steuerabschnitt 310, wenn die Last an der Gasturbine zu einer Teillast wird, den Vorgemischverbrennungsbrenner 100A so, dass die Ventile 300A1 bis 300A3 geöffnet werden, und ihre Öffnung wird entsprechend der Lastgröße eingestellt, während die Ventile 300A4 bis 300A6 geschlossen werden. Während die Ventile 300A1 bis 300A3 geöffnet sind und ihr Öffnungsgrad entsprechend der Lastgröße eingestellt wird, müssen jedoch die Ventile 300A4 bis 300A6 nicht vollständig geschlossen sein, sondern können mit einem vorbestimmten Öffnungsgrad eingestellt sein (dieser Öffnungsgrad kann vorab bestimmt werden oder kann entsprechend der Last eingestellt werden), der kleiner ist als der Öffnungsgrad der Ventile 300A1 bis 300A3.
Wenn die Last eine Teillast ist, führt der Steuerabschnitt 310 die gleiche Steuerung aus als die oben erwähnte Steuerung für den Vorgemischverbrennungsbrenner 100A, und zwar gleichzeitig für die Vorgemischverbrennungsbrenner 100B bis 100H.
Das heißt, im Fall der Teillast steuert der Steuerabschnitt 310 die Vorgemischverbrennungsbrenner 100E bis 100H derart, dass die Ventile 300B1 bis 300B3, 300C1 bis 300C3, 300D1 bis 300D3, 300E1 bis 300E3, 300F1 bis 300F3, 300G1 bis 300G3 und 300H1 bis 300H3 geöffnet werden, ihr Öffnungsgrad entsprechend der Lastgröße vergrößert oder verkleinert wird und die restlichen Ventile geschlossen werden. Durch eine solche Steuerung wird Brennstoff durch die Einspritzlöcher 133a, 133b der Verwirbelungsflügel 130B1 bis 130B3, 130C1 bis 130C3, 130D1 bis 130D3, 130E1 bis 130E3, 130F1 bis 130F3, 130G1 bis 130G3 und 130H1 bis 130H3 eingespritzt. Hierbei sind die Verwirbelungsflügel 130B1 bis 130B3, 130C1 bis 130C3, 130D1 bis 130D3, 130E1 bis 130E3, 130F1 bis 130F3, 130G1 bis 130G3 und 130H1 bis 130H3 die Verwirbelungsflügel, die in der Umfangsrichtung benachbart und parallel sind.
Bei den Vorgemischverbrennungsbrennern 100E bis 100H ist daher wie bei dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100A auch bei einer Teillast das lokale Brennstoff-Luft-Verhältnis F/A hoch, die Austragungsmengen von CO und UHC können verringert werden, und es kann eine hocheffiziente Verbrennung sichergestellt werden.
Wenn schließlich eine Teillast erreicht ist, arbeiten alle Vorgemischverbrennungsbrenner 100A bis 100H, insgesamt als Brenner betrachtet so, dass sie ohne Unterbrechung brennen. Bei dem einzelnen Vorgemischverbrennungsbrenner 100 wird jedoch Brennstoff nur von einigen der mehreren Verwirbelungsflügel eingespritzt. Somit ist auch unter Teillast das lokale Brennstoff-Luft-Verhältnis F/A hoch, die Austragungsmengen von CO und UHC können verringert werden, und es kann eine hocheffiziente Verbrennung sichergestellt werden. Ferner wird der Heizwert in bezug auf die Umfangsrichtung vergleichmäßigt, und auf das Übergangsrohr wird keine Dehnungskraft bzw. Spannungen infolge der Wärmebelastung aufgebracht.
<Modifikation der Stufensteuerung>
Die oben beschriebene Stufensteuerung durch den Steuerabschnitt 310 ist ein Beispiel, bei dem im Fall einer Teillast die Anzahl der benachbart in einer Gruppe angeordneten Verwirbelungsflügel (d.h. die den Brennstoff einspritzenden Verwirbelungsflügel) geändert werden kann.
Unter der Teillast bilden die mehreren den Brennstoff einspritzenden Verwirbelungsflügel 130 gemäß der obigen Ausführungsform eine Gruppe der Verwirbelungsflügel, die benachbart in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, den Brennstoff von den alternierend in der Umfangsrichtung angeordneten Verwirbelungsflügeln 130 einzuspritzen.
Bei der obigen Ausführungsform sind alle Verwirbelungsflügel 130 mit den Einspritzlöchern 133a und den Einspritzlöchern 133b versehen. Die Verwirbelungsflügel 130A1, 130B1, 130C1, 130D1, 130E1, 130F1, 130G1, 130H1 können aber nur mit den Einspritzlöchern 133a an der ventralen Flügelseite versehen sein, die Verwirbelungsflügel 130A2, 130B2, 130C2, 130D2, 130E2, 130F2, 130G2, 130H2 können nur mit den Einspritzlöchern 133a, 133b an der ventralen Flügelseite und der dorsalen Flügelseite versehen sein, und die Verwirbelungsflügel 130A3, 130B3, 130C3, 130D3, 130E3, 130F3, 130G3, 130H3 können nur mit den Einspritzlöchern 133b an der dorsalen Flügelseite versehen sein. Die anderen Verwirbelungsflügel 130 sind mit den Einspritzlöchern 133a, 133b versehen.
Dadurch kann unter einer Teillast die Brennstoffeinspritzung konzentriert für einige bestimmte der mehreren Luftdurchgänge 111 durchgeführt werden (in dem Vorgemischverbrennungsbrenner 100A beispielsweise der Luftdurchgang zwischen dem Verwirbelungsflügel 130A1 und dem Verwirbelungsflügel 130A2 und der Luftdurchgang zwischen dem Verwirbelungsflügel 130A2 und dem Verwirbelungsflügel 130A3), wodurch ein lokales Brennstoff-Luft-Verhältnis F/A angehoben werden kann.
Ferner kann unter einer Teillast Brennstoff nur von den spezifischen Verwirbelungsflügeln der mehreren Verwirbelungsflügel nach obiger Beschreibung bei den Vorgemischverbrennungsbrennern 100A, 100C, 100E, 100G eingespritzt werden, und die Brennstoffeinspritzung kann bei den Vorgemischverbrennungsbrennern 100B, 100D, 100F, 100H vollständig gestoppt werden.
Ausführungsform 2
Als nächstes wird die Ausführungsform 2 der Erfindung beschrieben. Eine Erläuterung für die gleichen Bestandteile wie bei Ausführungsform 1 entfällt, und es werden nur die zur Ausführungsform 2 gehörigen Teile erläutert.
Auch bei der Ausführungsform 2 arbeiten, wenn eine Teillast erreicht ist, die mehreren Vorgemischverbrennungsbrenner 100, wenn sie insgesamt als der Brenner betrachtet werden, so, dass sie ohne Unterbrechung brennen. Falls aber der individuelle Vorgemischverbrennungsbrenner betrachtet wird, so wird Brennstoff nur von einigen der mehreren Verwirbelungsflügel 130 eingespritzt.
In einer Brennkammer 520 der Ausführungsform 2 gemäß 10 ist jeder Verwirbelungsflügel 130 mit Einspritzlöchern 133c an der Innenumfangsseite und mit Einspritzlöchern 133d an der Außenumfangsseite versehen. Ferner sind Brennstoffdurchgänge (durch gestrichelte Linien in der Zeichnung angegeben) zum individuellen Zuführen eines Brennstoffs zu den jeweiligen Einspritzlöchern 133c, 133d angeordnet, und Ventile 300c, 300d sind in die jeweiligen Brennstoffdurchgänge eingefügt. Ein Steuerabschnitt 320 steuert das Öffnen und Schließen der Ventile 300c, 300d und übt eine Stufensteuerung aus. Die Merkmale der anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei Ausführungsform 1.
In der Ausführungsform 2 öffnet der Steuerabschnitt 320, wenn die Last an der Gasturbine eine Volllast ist, die Ventile 300c, 300d, die den Brennstoff durch die Einspritzlöcher 133c, 133d einspritzen.
Wenn die Last an der Gasturbine eine Teillast wird, schließt der Steuerabschnitt 320 die Ventile 300d, um die Brennstoffeinspritzung durch die Einspritzlöcher 133d an der Außenumfangsseite vollkommen zu stoppen, und stellt auch den Öffnungsgrad der Ventile 300c gemäß der Lastgröße ein, um die Menge der Brennstoffeinspritzung durch die Einspritzlöcher 133c an der Innenumfangsseite einzustellen bzw. anzupassen.
An der Innenumfangsseite ist die Umfangslänge kurz. Wenn eine Teillast erreicht wird, wird daher die Proportion, in der der durch die Einspritzlöcher 133c an der Innenumfangsseite eingespritzte Brennstoff durch Umgebungsluft diffundiert und mit dieser vermischt wird, niedrig. Bei dem gesamten Vorgemischverbrennungsbrenner 100 ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis F/A niedrig. In der Umgebung der Einspritzlöcher 133c jedoch ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis F/A lokal hoch. Somit können auch unter einer Teillast die Austragungsmengen von CO und UHC verringert werden, und eine hocheffiziente Verbrennung kann sichergestellt werden.
Bei der Teillast kann der Brennstoff auch nur durch die Einspritzlöcher 133c an der Innenumfangsseite eingespritzt werden, die in einer vorbestimmten Anzahl von (z.B. drei) Verwirbelungsflügeln 130 unter den sechs Verwirbelungsflügeln 130 vorgesehen sind, welche benachbart in der Umfangsrichtung angeordnet sind.
Wie in 11 gezeigt ist, können außerdem die Einspritzlöcher 133c an der Innenumfangsseite nicht in dem Verwirbelungsflügel 130, sondern in einem Abschnitt einer Brennstoffdüse 110 nahe dem Verwirbelungsflügel 130 vorgesehen sein.
ZUSAMMENFASSUNG:
Eine Brennkammer (500) umfaßt mehrere Brenner (100) zum Verbrennen eines Vorgemischs, die jeweils eine in einem Brennerrohr (120) vorgesehene Brennstoffdüse (110) aufweisen, wobei die Brennstoffdüse (110) mehrere Verwirbelungsflügel (130) an ihrer Außenumfangsfläche aufweist. Einspritzlöcher (133a),133b) sind in jedem Verwirbelungsflügel (130) ausgebildet. Eine Stufensteuerung ("staging control") wird derart ausgeführt, dass, wenn eine Gasturbine sich in einem Volllaststadium befindet, ein Brennstoff durch die Einspritzlöcher (133a, 133b) aller Verwirbelungsflügel (130) eingespritzt wird, und wenn sich die Gasturbine unter Teillast befindet, der Brennstoff nur durch die Einspritzlöcher (133a, 133b) einer spezifischen Anzahl der in einer Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Verwirbelungsflügel (130) eingespritzt wird, und eine Brennstoffeinspritzung durch die Einspritzlöcher (133a, 133b) der restlichen Verwirbelungsflügel (130) gestoppt wird. Durch Ausführen einer solchen Stufensteuerung hinsichtlich der Brennstoffeinspritzung oder deren Unterbindung für die Verwirbelungsflügel (130) kann ein Brennstoff-/Luft-Verhältnis lokal erhöht werden, eine Erzeugung von CO und UHC kann vermieden werden, und es kann eine hocheffiziente Verbrennung auch bei Teillast erreicht werden.
Beschreibung der Bezugsziffern und Symbole

100, 100A bis 100H: Vorgemischverbrennungsbrenner
110: Brennstoffdüse
111: Luftdurchgang
120: Brennerrohr
121: Abstand
130: Verwirbelungsrohr
131: Abstandseinstellrippe
132a: ventrale Flügelfläche
132b: dorsale Flügelfläche
133a, 133b, 133c, 113d: Einspritzloch
200: Pilotverbrennungsbrenner
300A1 bis 300A6, 300B1 bis 300B6, 300C1 bis 300C6, 300D1 bis 300D6, 300E1 bis 300E6, 300F1 bis 300F6, 300G1 bis 300G6, 300H1 bis 300H6, 300c, 300d: Ventil
310, 320: Steuerabschnitt
500, 520: Brennkammer
L, LA1 bis LA6, LB1 bis LB6, LC1 bis LC6, LD1 bis LD6, LE1 bis LE6, LF1 bis LF6, LG1 bis LG6, LH1 bis LH6: Brennstoffdurchgang
A: Druckluft
a: Luftwirbelstrom
u: Verwirbelter Luftstrom

Claims

Brennkammer einer Gasturbine, wobei die Brennkammer einen Verbrennungsbrenner aufweist, mit: einer Brennstoffdüse, und Verwirbelungsflügeln, die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse erstrecken, und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung von entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse strömender Luft krümmen, um die Luft um die Brennstoffdüse herum zu verwirbeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer umfasst: Einspritzlöcher, die in jedem Verwirbelungsflügel zum Einspritzen eines Brennstoffs ausgebildet sind, Brennstoffdurchgänge zum individuellen Zuführen des Brennstoffs zu den in jedem Verwirbelungsflügel ausgebildeten Einspritzlöchern, in den jeweiligen Brennstoffdurchgängen vorgesehene Ventile, und einen Steuerabschnitt zum Steuern des Öffnens oder Schließens der Ventile, wobei der Steuerabschnitt alle Ventile in einen Öffnungszustand versetzt, wenn sich die Gasturbine in einem Volllaststadium befindet, und einen Öffnungsgrad bestimmter Ventile gemäß einer Last steuert, und die restlichen Ventile schließt, wenn sich die Gasturbine in einem Teillaststadium befindet.
Brennkammer einer Gasturbine, wobei die Brennkammer einen Verbrennungsbrenner aufweist, mit: einer Brennstoffdüse, und Verwirbelungsflügeln, die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse in einem Zustand angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse erstrecken, und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung der entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse strömenden Luft krümmen, um die Luft um die Brennstoffdüse herum zu verwirbeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer umfasst: Einspritzlöcher, die in jedem Verwirbelungsflügel zum Einspritzen eines Brennstoffs ausgebildet sind, Brennstoffdurchgänge zum individuellen Zuführen des Brennstoffs zu den in jedem Verwirbelungsflügel ausgebildeten Einspritzlöchern, in den jeweiligen Brennstoffdurchgängen vorgesehene Ventile, und einen Steuerabschnitt zum Steuern des Öffnens oder Schließens der Ventile, wobei der Steuerabschnitt alle Ventile in einen Öffnungszustand versetzt, wenn sich die Gasturbine in einem Volllaststadium befindet, und einen Öffnungsgrad der Ventile steuert, die in den Brennstoffdurchgängen vorgesehen sind, um den Brennstoff gemäß einer Last den Einspritzlöchern zuzuführen, die in einer spezifischen Anzahl der aneinandergrenzend in der Umfangsrichtung angeordneten Verwirbelungsflügel ausgebildet sind, und die restlichen Ventile schließt, wenn sich die Gasturbine in einem Teillaststadium befindet.
Brennkammer einer Gasturbine, wobei die Brennkammer mehrere Verbrennungsbrenner aufweist, die jeweils umfassen: eine Brennstoffdüse, und Verwirbelungsflügel, die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse erstrecken, und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung von entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse strömender Luft krümmen, um die Luft um die Brennstoffdüse herum zu verwirbeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer umfasst: Einspritzlöcher an einer Innenumfangsseite und Einspritzlöcher an einer Außenumfangsseite, die an einer Innenumfangsseite und einer Außenumfangsseite jedes Verwirbelungsflügels zum Einspritzen eines Brennstoffs ausgebildet sind, Brennstoffdurchgänge zum individuellen Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern an der Innenumfangsseite und zu den Einspritzlöchern an der Außenumfangsseite, die in jedem Verwirbelungsflügel ausgebildet sind, in den jeweiligen Brennstoffdurchgängen vorgesehene Ventile, und einen Steuerabschnitt zum Steuern des Öffnens oder Schließens der Ventile, wobei der Steuerabschnitt eine Steuerung hinsichtlich der mehreren Verbrennungsbrenner derart durchführt, dass alle Ventile in einen geöffneten Zustand versetzt werden, wenn sich die Gasturbine in einem Volllaststadium befindet, und ein Öffnungsgrad der Ventile, die in den Brennstoffdurchgängen vorgesehen sind, um den Brennstoff den Einspritzlöchern an der Innenumfangsseite zuzuführen, gemäß einer Last gesteuert wird, und die Ventile, die in den Brennstoffdurchgängen zum Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern an der Außenumfangsseite vorgesehen sind, geschlossen werden, wenn sich die Gasturbine in einem Teillaststadium befindet.
Brennkammer einer Gasturbine, wobei die Brennkammer mehrere Verbrennungsbrenner aufweist, die jeweils umfassen: eine Brennstoffdüse, und Verwirbelungsflügel, die an mehreren Stellen entlang einer Umfangsrichtung einer Außenumfangsfläche der Brennstoffdüse so angeordnet sind, dass sie sich entlang einer Axialrichtung der Brennstoffdüse erstrecken, und sich progressiv von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung von entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse strömender Luft krümmen, um die Luft um die Brennstoffdüse herum zu verwirbeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer umfasst: Einspritzlöcher, die in jedem Verwirbelungsflügel zum Einspritzen eines Brennstoffs ausgebildet sind, und Einspritzlöcher, die in der Brennstoffdüse zum Einspritzen des Brennstoffs ausgebildet sind, Brennstoffdurchgänge zum individuellen Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern, die in jedem Verwirbelungsflügel ausgebildet sind, und zu den Einspritzlöchern, die in der Brennstoffdüse ausgebildet sind, in den jeweiligen Brennstoffdurchgängen vorgesehene Ventile, und einen Steuerabschnitt zum Steuern des Öffnens oder Schließens der Ventile wobei der Steuerabschnitt eine Steuerung hinsichtlich der mehreren Verbrennungsbrenner derart durchführt, dass alle Ventile in einen geöffneten Zustand versetzt werden, wenn sich die Gasturbine in einem Volllaststadium befindet, und ein Öffnungsgrad der Ventile, die in den Brennstoffdurchgängen zum Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern, die in der Brennstoffdüse ausgebildet sind, gemäß einer Last gesteuert wird, und die Ventile, die in den Brennstoffdurchgängen zum Zuführen des Brennstoffs zu den Einspritzlöchern in den Verwirbelungsflügeln vorgesehen sind, geschlossen werden, wenn sich die Gasturbine in einem Teillaststadium befindet.
Brennkammer einer Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen einer Tangente an einer Durchschnittskrümmungslinie des Verwirbelungsflügels an einer Hinterkante des Verwirbelungsflügels und einer sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse erstreckenden Achslinie gebildeter Winkel 0 bis 10 Grad an einer Innenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels beträgt, und der Winkel an einer Außenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels größer ist als der Winkel an der Innenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels.
Brennkammer einer Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen einer Tangente an einer Durchschnittskrümmungslinie des Verwirbelungsflügels an einer Hinterkante des Verwirbelungsflügels und einer sich entlang der Axialrichtung der Brennstoffdüse erstreckenden Achslinie gebildeter Winkel 0 bis 10 Grad an einer Innenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels, und 25 bis 35 Grad an einer Außenumfangsseite der Hinterkante des Verwirbelungsflügels beträgt.