DE112010004467T5

DE112010004467T5 - Zwischenüberhitzungsbrenner für einen gasturbinenmotor

Info

Publication number: DE112010004467T5
Application number: DE112010004467T
Authority: DE
Inventors: Adnan Eroglu; Thiemo Meeuwissen; Peter Flohr
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: US8783008B2; GB0920094D0; US20120260665A1; WO2011061059A3; WO2011061059A2; DE112010004467B4

Abstract

Ein Zwischenüberhitzungsbrenner 90 für einen Gasturbinenmotor umfasst einen Brennstoff-Gas-Mischer 51 zum Mischen von Brennstoff, Luft und Verbrennungsgasen, wobei die Verbrennungsgase durch einen primären Brenner erzeugt und durch eine Hochdruckturbine expandiert worden sind. Brennstoffeinspritzdüsen 63 spritzen Brennstoff zusammen mit verbrauchter, zuvor für das konvektive Kühlen des Zwischenüberhitzungsbrenners verwendete Kühlluft in den Brennstoff-Gas-Mischer 51 ein, wodurch die Verbrennungsflammentemperaturen gesenkt und die NOX-Produktion während des Verbrennungsprozesses gemäßigt wird. Die Brennstoffmischung wird in einer ringförmigen Zwischenüberhitzungsbrennkammer 58 vor der Expansion eines Array von Niederdruckturbinen-Einlassleitschaufeln 92 verbrannt. Der Brennstoff-Gas-Mischer 51 und optional die Brennkammer 58 definieren Kühlpfade 68/76 und 70/78, durch die Kühlluft strömt, um ihre Wände konvektiv zu kühlen. Die Brennstoffeinspritzdüsen 63 werden ebenfalls durch die Kühlluft konvektiv gekühlt, nachdem sie durch die Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfade hindurch getreten ist. Die Niederdruckturbinen-Einlassleitschaufeln 92 können ebenfalls konvektive Kühlpfade 94 definieren, die in einer Reihe mit Brennkammerkühlpfaden platziert sind. Die gleiche Kühlluft führt deshalb mehrere Kühlaufgaben für eine größere Motorgesamteffizienz durch.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zwischenüberhitzungsbrenner für einen Gasturbinenmotor und/oder einen Gasturbinenmotor mit einem Zwischenüberhitzungsbrenner. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung befassen sich insbesondere mit dem Kühlen eines Zwischenüberhitzungsbrenners für einen Gasturbinenmotor im Hinblick auf das Erhöhen der Motoreffizienz und das Optimieren der Verbrennung innerhalb des Zwischenüberhitzungsbrenners.
Allgemeiner Stand der Technik
1 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Teils eines zwischenüberhitzenden oder nachbrennenden Gasturbinenmotors 10 über der Turbinenrotationsachse X-X. Der Gasturbinenmotor 10 umfasst einen Niederdruckkompressor 12, einen Hochdruckkompressor 14, ein Verbrennungssystem 16, eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 20. Das Verbrennungssystem 16 arbeitet auf der Basis des Zwischenüberhitzungs- oder Nachverbrennungsprinzips und umfasst einen primären Brenner 22 und einen hinter dem Primärbrenner 22 angeordneten Zwischenüberhitzungsbrenner 24. Sowohl der primäre als auch der Zwischenüberhitzungsbrenner 22, 24 sind ringförmig und erstrecken sich umfangsmäßig um die Turbinenachse. Der in den Brennern verbrannte Brennstoff kann beispielsweise Öl oder Gas wie etwa Erdgas oder Methan sein.
Beim Betrieb wird in den Gasturbinenmotor 10 eintretende Luft anfänglich von dem Niederdruckkompressor 12 und dann von dem Hochdruckkompressor 14 komprimiert, bevor die komprimierte Luft dem primären Brenner 22 zugeführt wird. Brennstoff wird von einer geeigneten Brennstoffeinspritzdüse oder Lanze 26 in den primären Brenner 22 eingespritzt, wo er sich mit der komprimierten Luft vermischt. Alternativ können der Brennstoff und die Luft mindestens teilweise miteinander vorgemischt werden, bevor die Brennstoff-Luft-Mischung in die Brennkammer eingespritzt wird. Mehrere, über den Umfang angeordnete Brenner 28 zünden dann das Brennstoff-Luft-Gemisch, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die sich durch die Hochdruckturbine 18 expandieren und diese dadurch antreiben.
Ebenfalls unter Bezugnahme auf 2, die eine mögliche Konfiguration des Zwischenüberhitzungsbrenners 24 nach dem Stand der Technik ausführlicher zeigt, werden die expandierten Verbrennungsgase durch Hochdruckturbinen-Auslassleitschaufeln (HP OGV – High Pressure Turbine Outlet Guide Vanes) 27 und Wirbelgeneratoren 29 dem Zwischenüberhitzungsbrenner 24 zur Zwischenüberhitzung zugeführt. Schließlich werden die zwischenüberhitzten Verbrennungsgase durch Niederdruckturbinen-Einlassleitschaufeln (LP IGV – Low Pressure Turbine Inlet Guide Vanes) 35 in die Niederdruckturbine 20 gelenkt und aus dem Motor abgeblasen. Sowohl die Hochdruck- als auch Niederdruckturbine 18, 20 sind antreibend über jeweils geeignete Verbindungswellen mit dem Hochdruck- und Niederdruckkompressor 14, 12 verbunden, die somit auf herkömmliche Weise durch die Hochdruck- und Niederdruckturbine 18, 20 angetrieben werden.
Die Temperatur der von dem primären Brenner 22 erzeugten heißen Verbrennungsgase nimmt ab, während jene heißen Verbrennungsgase sich durch die Hochdruckturbine 18 expandieren. Weil die Leistungsabgase eines Gasturbinenmotors allgemein gesprochen proportional zu der Temperatur der Verbrennungsgase ist, ist es vorteilhaft, die Verbrennungsgase, die sich durch die einstufige Hochdruckturbine 18 expandiert haben, zwischenzuüberhitzen, bevor sie durch die mehrstufige Niederdruckturbine 20 weiter expandiert werden. Wenngleich eine einstufige HP-Turbine beschrieben worden ist, ist dies rein beispielhaft, und eine HP-Turbine kann zwei oder mehr Stufen besitzen, falls die von dem primären Brenner erzeugten Verbrennungsgase ausreichend energiehaltig sind.
Wieder unter Bezugnahme auf 2 umfasst der Zwischenüberhitzungsbrenner 24 einen Brennstoff-Gas-Mischer 30, der allgemein ringförmig ist, aber in einer Anzahl diskreter Mischzonen 25 unterteilt ist. Mit anderen Worten ist der als 30 bezeichnete Bereich nicht ein kontinuierlicher Ring, sondern besteht aus individuellen Mischzonen 25, deren Umfangserstreckungen durch nicht gezeigte, winkelmäßig beabstandete Seitenwände definiert werden. Die Wände 44, 46 jedoch, die die radial innere und äußere Grenze des Brennstoff-Gas-Mischers 30 definieren, sind zweckmäßigerweise umfangsmäßig kontinuierlich, jedoch ist dies nicht wesentlich. Jede Mischzone 25 weist ein stromaufwärtiges Einlassende 41 auf, um die Verbrennungsgase 43 aufzunehmen, die durch die Hochdruckturbine und ihr ringförmiges Array von Auslassleitschaufeln 27 expandiert wurden. An den Einlässen 41 treten die Verbrennungsgase 43 durch Wirbelgeneratoren 29 hindurch, bevor von einer Brennstoffeinspritzdüse 32 Brennstoff in sie eingespritzt wird. Die Wirbelgeneratoren 29 unterstützen das Mischen des eingespritzten Brennstoffs mit den Verbrennungsgasen 43 in dem Brennstoff-Gas-Mischer 30. Die Mischung wird durch Auslässe 45 der Mischzonen in eine ringförmige Brennkammer 34 eingeleitet, und die Mischung verbrennt spontan aufgrund der Wärme der Verbrennungsgase.
Die Anzahl und Beabstandung der verwendeten Brennstoffeinspritzdüsen sollte ausreichen, um sicherzustellen, dass die Umfangsverteilung von Brennstoff, Luft und Verbrennungsgasen um die Mischzonen 25 herum ausreichend gleichförmig ist, um ein adäquates Mischen vor der Verbrennung zu ermöglichen. Es ist zweckmäßig, falls es pro Mischzone des Brennstoff-Gas-Mischers 30 eine Brennstoffeinspritzdüse gibt, dies ist aber keine wesentliche Charakteristik des Brennstoff-Luft-Lischers 30; falls zum Beispiel jede Mischzone eine ausreichende Umfangserstreckung aufweist, wird eine gleichmäßigere Verteilung von Brennstoff erhalten, falls es pro Mischzone zwei oder mehr Brennstoffeinspritzdüsen gibt. Unter der Annahme von einer Brennstoffeinspritzdüse pro Mischzone hat sich herausgestellt, dass 24 eine geeignete Anzahl von Brennstoffeinspritzdüsen und Mischzonen in einem großen Hochleistungsgasturbinenmotor ist.
Mit steigender Flammentemperatur in dem Zwischenüberhitzungsbrenner 24 steigen die Kühlanforderungen an die Wände der Brennkammer 34 und des Brennstoff-Gas-Mischers 30 wie auch die Kühlanforderungen an die HP OGVs 27 und die LP IGVs 35 (1). Gleichzeitig steigt auch die Konzentration an unerwünschten NO_x-Emissionen und die Gefahr einer vorzeitigen Zündung der Brennstoff-Oxidationsmittel-Mischung ebenfalls an. Zum Kontrollieren der Konzentration an NO_x-Emissionen und um allgemein einen effizienten und zuverlässigen Betrieb des Zwischenüberhitzungsbrenners 24 sicherzustellen, ist es notwendig, eine geeignete Kühlung für den Zwischenüberhitzungsbrenner 24 und assoziierte Komponenten bereitzustellen.
Die HP OGVs 27 und die LP IGVs 35 werden in der Regel durch Konvektions- und/oder Effusions- und/oder Filmkühltechniken gekühlt, wobei die Kühlluft von verschiedenen Quellen geliefert wird, üblicherweise dem Hochdruck- bzw. Niederdruckkompressor. Die ringförmige Brennkammer 34 des gezeigten Zwischenüberhitzungsbrenner 24 nach dem Stand der Technik weist Wände auf, die radial innere und radial äußere ringförmige doppelwandige Verbrennungsauskleidungen 40 bzw. 42 umfassen, die von einem in der Regel von dem Niederdruckkompressor 12 angesaugten Vorrat an Kühlluft konvektiv gekühlt werden. Die Kühlluft strömt durch zwischen den Doppelwänden der radial inneren und radial äußeren Verbrennungsauskleidungen 40, 42 definierte radial innere und radial äußere Kühlpfade 36, 38. Im Gegensatz dazu werden die Wände des Brennstoff-Gas-Mischers 30 durch Effusion gekühlt. Insbesondere enthalten sowohl die radial inneren als auch radial äußeren Wände 44, 46 des Brennstoff-Gas-Mischers 30 eine nicht gezeigte große Anzahl an Löchern mit einem kleinen Durchmesser (in der Regel 0,7 bis 0,8 mm), durch die Kühlluft 47 ausströmt. Zudem können auf die nicht gezeigten Trennwände zwischen benachbarten Mischzonen 25 des Brennstoff-Gas-Mischers ebenfalls durch Effusion gekühlt werden. Die Luft für die Effusionskühlung wird von den Verbrennungsauskleidungsströmungswegen 36, 38 geliefert, die in ringförmige Plenumskammern bei den radial inneren und äußeren Brennstoff-Gas-Mischerwänden 44, 46 abgeben. Wegen der scharfen Neigung der Löcher relativ zu den inneren Oberflächen der radial inneren und radial äußeren Brennstoff-Gas-Mischerwände 44, 46 und dem niedrigen Moment der Strahlen von Effusionsluft 47 bleibt die Effusionsluft nahe an den inneren Oberflächen der Brennstoff-Gas-Mischerwände 44, 46, wodurch sie geeignet kühl gehalten werden. Obwohl das Effusionskühlen des Brennstoff-Gas-Mischers 30 effizient und zuverlässig ist, gibt es manchmal damit assoziierte Schwierigkeiten.
Eine solche Schwierigkeit besteht darin, dass sich die Effusionsluft 47 nicht richtig mit dem in die Mischzonen 25 des Brennstoff-Gas-Mischers 30 über die Brennstoffeinspritzdüsen 32 eingespritzten Brennstoff vermischt, deren Auslässe allgemein mittig zwischen den radial inneren und radial äußeren Wänden 44, 46 jeder individuellen Mischzone 25 angeordnet sind. Die Effusionsluft trägt deshalb nicht viel zum Reduzieren der Flammentemperatur in der ringförmigen Brennkammer 34 und somit zum Reduzieren der Konzentration an unerwünschten NOx-Emissionen bei.
Um ein Kühlen für die Brennstoffeinspritzdüsen 32 bereitzustellen, um die Flammentemperatur zu reduzieren und um weiterhin sicherzustellen, dass der aus den Brennstoffeinspritzdüsen 32 austretende Brennstoff in Anwesenheit von relativ heißen Verbrennungsgasen nicht vorzeitig zündet, ist es notwendig, einen Vorrat an Trägerluft bereitzustellen. Die Trägerluft wird mit dem Brennstoff durch die Brennstoffeinspritzdüsen 32 in die Mischzonen 25 des Brennstoff-Gas-Mischers 30 eingespritzt und umfasst rückgekühlte Luft von dem Hochdruckkompressor 14, aber die Vorkehrung solcher Trägerluft ist unerwünscht, da sie zu einem Verlust an Effizienz und Leistung führt.
Es besteht deshalb ein Bedarf an einem verbesserten Zwischenüberhitzungsbrenner für einen Gasturbinenmotor und insbesondere an einem Zwischenüberhitzungsbrenner mit verbesserter Kühlung, der für die erforderliche Reduktion bei der Flammentemperatur sorgt, um die Konzentration an unerwünschten NOx-Emissionen zu reduzieren, und der auch Leistungs- und Effizienzverluste bei dem Gasturbinenmotor reduziert.
Kurze Darstellung der Erfindung
Allgemein gesprochen stellt die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Zwischenüberhitzungsbrenners in einem Gasturbinenmotor bereit, bei dem zuvor für das Konvektionskühlen von mindestens einem Teil des Zwischenüberhitzungsbrenners verwendete Kühlluft von Brennstoffeinspritzdüsen mit Brennstoff in Mischzonen des Zwischenüberhitzungsbrenners eingespritzt wird. Die Mischzonen, und bevorzugt auch eine Zwischenüberhitzungsbrennkammer hinter den Mischzonen, können die Teile des Zwischenüberhitzungsbrenners umfassen, die konvektiv gekühlt werden, wobei Kühlluft von der Brennkammer zum konvektiven Kühlen der Mischzonen verwendet wird. Bevorzugt werden die Brennstoffeinspritzdüsen ebenfalls konvektiv durch die Kühlluft gekühlt, bevor sie mit dem Brennstoff in die Mischzonen eingespritzt wird.
Das Verfahren der Erfindung kann weiterhin den Schritt des Konvektionskühlens von Niederdruckturbinen-Einlassleitschaufeln (LP IGVs) hinter der Brennkammer beinhalten, wobei Kühlluft von dort dann zum konvektiven Kühlen der Zwischenüberhitzungsbrennkammer verwendet wird. Die Kühlluft kann dann von einer einzelnen Quelle, bevorzugt einem Niederdruckkompressor des Gasturbinenmotors, geliefert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Zwischenüberhitzungsbrenner für einen Gasturbinenmotor bereit, wobei der Zwischenüberhitzungsbrenner Folgendes umfasst:
einen Brennstoff-Gas-Mischer zum Mischen von Brennstoff mit Verbrennungsgasen, die von einem primären Brenner erzeugt worden sind und sich durch eine Hochdruckturbine expandiert haben;
mehrere Brennstoffeinspritzdüsen zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennstoff-Gas-Mischer;
eine ringförmige Brennkammer hinter dem Brennstoff-Gas-Mischer, in der die Mischung aus eingespritztem Brennstoff und Verbrennungsgasen vor der Expansion durch eine Niederdruckturbine verbrannt wird;
wobei ein Wandmittel des Brennstoff-Gas-Mischers mindestens einen konvektiven Kühlpfad definiert, durch den Kühlluft fließt, um bei Verwendung den Brennstoff-Gas-Mischer konvektiv zu kühlen; und die Brennstoffeinspritzdüsen ausgelegt sind, um die zuvor für das Konvektionskühlen des Brennstoff-Gas-Mischers verwendete Kühlluft zusammen mit dem Brennstoff in Mischzonen des Brennstoff-Gas-Mischers einzuspritzen.
Ein verwandter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Gasturbinenmotor bereit, der Folgendes umfasst:
einen primären Brenner, eine Hochdruckturbine zum Expandieren von von dem primären Brenner erzeugten Verbrennungsgasen, einen Zwischenüberhitzungsbrenner zum Zwischenüberhitzen der Verbrennungsgase nach der Expansion durch die Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine zum Expandieren der zwischenüberhitzten Verbrennungsgase, wobei der Zwischenüberhitzungsbrenner Folgendes umfasst:
einen Brennstoff-Gas-Mischer zum Mischen von Brennstoff mit Verbrennungsgasen, die von einem primären Brenner erzeugt und durch eine Hochdruckturbine expandiert worden sind;
mehrere Brennstoffeinspritzdüsen zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennstoff-Gas-Mischer;
eine ringförmige Brennkammer hinter dem Brennstoff-Gas-Mischer, in der die Mischung aus eingespritztem Brennstoff und Verbrennungsgasen vor der Expansion durch eine Niederdruckturbine verbrannt wird;
wobei ein Wandmittel des Brennstoff-Gas-Mischers mindestens einen Konvektionskühlpfad definiert, durch den Kühlluft strömt, um bei Verwendung den Brennstoff-Gas-Mischer konvektiv zu kühlen; und die Brennstoffeinspritzdüsen ausgelegt sind, um die zuvor für das Konvektionskühlen des Brennstoff-Gas-Mischers verwendete Kühlluft zusammen mit dem Brennstoff in Mischzonen des Brennstoff-Gas-Mischers einzuspritzen.
Es wird bevorzugt, dass die Brennstoffeinspritzdüsen ebenfalls konvektiv gekühlt werden, und dazu definieren Endwandmittel jeder Brennstoffeinspritzdüse einen Brennstoffeinspritzdüsen-Konvektionskühlpfad, und der Brennstoffeinspritzdüsen-Konvektionskühlpfad ist angeschlossen, um Kühlluft von dem mindestens einen Konvektionskühlpfad des Brennstoff-Gas-Mischers aufzunehmen.
Der Brennstoff-Gas-Mischer umfasst bevorzugt eine ringförmige Gesamtstruktur, die in mehrere diskrete Mischzonen unterteilt ist, die um den Ring winkelmäßig beabstandet sind, wobei die Umfangserstreckung der individuellen Mischzonen durch winkelmäßig beabstandete Seitenwände definiert wird und ihre Radialerstreckung durch die radial inneren und radial äußeren Wände des Brennstoff-Gas-Mischers definiert wird. Die Seitenwände und/oder mindestens eine der radial inneren und äußeren Wände definieren Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfade, durch die Kühlluft strömt, um bei Verwendung den Brennstoff-Gas-Mischer konvektiv zu kühlen.
Durch konvektives Kühlen der Brennstoff-Gas-Mischer-Wände und danach Einspritzen der Kühlluft, die für das konvektive Kühlen verwendet worden ist, zusammen mit dem Brennstoff in den Brennstoff-Gas-Mischer wird ein größeres Mischen der Kühlluft und des eingespritzten Brennstoffs erreicht als bei dem durch Effusion gekühlten Brennstoff-Gas-Mischer des oben beschriebenen Zwischenüberhitzungsbrenners nach dem Stand der Technik. Die Kühlluft kann deshalb besser genutzt werden als in dem durch Effusion gekühlten Brennstoff-Gas-Mischer, wo sie meist für das Kühlen der Wände des Brennstoff-Gas-Mischers sorgt. Insbesondere ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung, dass die gleiche Kühlluft die Aufgaben des Bereitstellens nicht nur einer effektiven Kühlung der Brennstoff-Gas-Mischer-Wände erfüllt, sondern auch eine Reduktion bei der Flammentemperatur in der Brennkammer und somit auch einer resultierenden Reduktion bei unerwünschten NO_x-Emissionen.
Bei typischen Ausführungsformen definieren die Seitenwände des Brennstoff-Gas-Mischers und beider der radial inneren und radial äußeren Wände Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfade. Auf diese Weise sind alle der Brennstoff-Gas-Mischer-Wände vor den aufheizenden Effekten der heißen Verbrennungsgase geschützt, wodurch die thermischen Beanspruchungen auf die Brennstoff-Gas-Mischer-Struktur reduziert werden und die Lebensdauer des Zwischenüberhitzungsbrenners verlängert wird.
Zudem umfasst die Zwischenüberhitzungsbrennkammer bevorzugt Wandmittel, die mindestens einen Brennkammerkühlpfad definieren, durch den die Kühlluft strömt, um bei Verwendung die Brennkammer konvektiv zu kühlen. Bei typischen Ausführungsformen wird die Brennkammer durch radial innere und radial äußere Brennkammerwände definiert, von denen eine oder beide einen Brennkammerkühlpfad definieren. Jeder Kühlpfad schützt deshalb eine Brennkammerwand vor Überhitzung durch die heißen Verbrennungsgase, wodurch die thermischen Beanspruchungen auf die Wände der Brennkammer reduziert und die Lebensdauer des Zwischenüberhitzungsbrenners verlängert wird.
Es ist zweckmäßig, falls die Brennkammerkühlpfade und die Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfade so angeordnet sind, dass die Kühlluft durch einen Brennkammerkühlpfad und dann durch einen Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfad strömt. Die Kühlluft kann somit nicht nur zum konvektiven Kühlen der Brennkammer verwendet werden, sondern zusätzlich zum konvektiven Kühlen des Brennstoff-Gas-Mischers. Die Gesamteffizienz des Gasturbinenmotors wird dadurch weiter verbessert.
Aus dem oben Gesagten folgt, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform der radial innere Brennkammerkühlpfad und der radial innere Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfad kommunizieren, um einen gemeinsamen, radial inneren Kühlpfad zu definieren, durch den Kühlluft strömen kann, um die Innenwände sowohl der ringförmigen Brennkammer als auch des Brennstoff-Gas-Mischers konvektiv zu kühlen. Alternativ kommunizieren der radial äußere Brennkammerkühlpfad und der radial äußere Brennstoff-Gas-Mischer-Pfad, um einen gemeinsamen, radial äußeren Kühlpfad zu definieren, durch den die Kühlluft strömen kann, um die Außenwände sowohl der ringförmigen Brennkammer als auch des Brennstoff-Gas-Mischers konvektiv zu kühlen.
Um den Aufbau des Zwischenüberhitzungsbrenners zu vereinfachen und die Effizienz zu maximieren, können alle konvektiv gekühlten Kühlpfade, d. h. sowohl radial innere als auch radial äußere Kühlpfade, sich einen gemeinsamen Vorrat an Kühlluft teilen.
Das Einspritzen der Kühlluft zusammen mit dem Brennstoff in den Brennstoff-Gas-Mischer führt zu dem weiteren Vorteil, dass eine separate Quelle an Trägerluft, wie etwa die, die für den Effusionsgekühlten Brennstoff-Gas-Mischer des oben beschriebenen Zwischenüberhitzungsbrenners nach dem Stand der Technik erforderlich ist, nicht benötigt wird. Der mit der Vorkehrung der Trägerluft assoziierte Effizienzverlust entfällt somit vorteilhafterweise.
Pro diskreter Mischzone des Brennstoff-Gas-Mischers kann es einen oder mehrere Brennstoffeinspritzdüsen geben. Bevorzugt werden Brennstoffeinspritzdüsen, die sich von einer Außenwand radial in den Brennstoff-Gas-Mischer erstrecken, zum Einspritzen des Brennstoffs und der Kühlluft verwendet, wobei jede Brennstoffeinspritzdüse mehrere Brennstoffeinspritzdüsenrohre umfasst, die ausgelegt sind, um den Brennstoff in der Abwärtsrichtung in den Brennstoff-Gas-Mischer einzuspritzen. Diese Anordnung ermöglicht die Umsetzung weiterer Vorteile, weil es möglich ist, die Hochdruckturbinen-Auslassleitschaufeln (HP OGVs) und die Wirbelgeneratoren, die in dem oben beschriebenen Gasturbinenmotor des Stands der Technik vorgesehen sind, zu eliminieren. Die Eliminierung der HP OGVs und der Wirbelgeneratoren ist möglich, weil Einspritzdüsenrohre oder die aus ihnen ausgestoßenen Brennstoffstrahlen dem von der Hochdruckturbine kommenden Strom immer das gleiche Profil zeigen, ungeachtet dessen, aus welcher Aufwärtsrichtung der Strom sich den Einspritzdüsen nähert. Die Querschnittsfläche des Brennstoff-Gas-Mischers kann somit reduziert werden, wodurch die Geschwindigkeit des Stroms durch ihn hindurch ohne irgendeine Zunahme beim Druckabfall erhöht wird, und zwar aufgrund der Abwesenheit der Auslassleitschaufeln und der Wirbelgeneratoren.
Angesichts der Tatsache, dass der Brennstoff zusammen mit Kühlluft, die für die Konvektionskühlung mindestens des Brennstoff-Gas-Mischers verwendet worden ist, in dem Brennstoff-Gas-Mischer eingespritzt wird, gibt es in der Regel einen signifikanten Massenstrom von Niederdruckluft durch den Brennstoff-Gas-Mischer, und die Größe und Anzahl der Brennstoffeinspritzdüsen wird in der Regel größer sein als bei dem bezüglich der 1 und 2 beschriebenen Zwischenüberhitzungsbrenner nach dem Stand der Technik.
Die Brennstoffeinspritzdüsen können sich nahe den Einlässen der Mischzonen oder an Punkten zwischen ihren Einlässen und Auslässen befinden. Weiterhin kann entweder die ganze Länge der Brennstoff-Gas-Mischer-Wände konvektiv gekühlt werden, bevor die Kühlluft mit dem Brennstoff in den Brennstoff-Gas-Mischer eingespritzt wird, oder nur die Teile der Brennstoff-Gas-Mischer-Wände, die sich hinter jeder Brennstoffeinspritzdüse befinden, können konvektiv gekühlt werden. Im letzteren Fall können die Teile des Brennstoff-Gas-Mischers vor der Brennstoffeinspritzdüse durch Effusion oder durch einen Film gekühlt werden.
Die Brennstoffeinspritzdüsen können in Form von Streben oder dergleichen vorliegen, die sich radial in oder über die Mischzonen erstrecken. Die oben erwähnten mehreren Brennstoffeinspritzdüsenrohre, die Teil jeder Brennstoffeinspritzdüse bilden, ermöglichen eine gleichmäßigere Verteilung des eingespritzten Brennstoffs und der Luft innerhalb der Mischzonen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Konvektionskühlweg in jeder Brennstoffeinspritzdüse zwischen einer inneren Brennstoffpassage und einer Außenwand jeder Brennstoffeinspritzdüse definiert, und die mehreren, radial beabstandeten Brennstoffeinspritzdüsenrohre erstrecken sich von der Brennstoffpassage durch die Außenwand, um dadurch Strahlen von Brennstoff in die Mischzonen einzuspritzen. Bei dieser Anordnung steht jedes Einspritzdüsenrohr durch ein entsprechendes Loch in der Außenwand vor, wobei die Löcher einen größeren Querschnitt als die Rohre aufweisen, sodass Kühlluft als Luftstrahlen von dem Brennstoffeinspritzdüsenkühlweg in den Brennstoff-Gas-Mischer austreten kann, wobei bei Verwendung jeder Brennstoffstrahl von einem ringförmigen Luftstrahl umgeben ist.
Wohingegen die oben beschriebene Brennstoffeinspritzdüse nur eine Art von Brennstoff einspritzen kann, zum Beispiel entweder gasförmig oder flüssig, besitzen viele Gasturbinenmotor-Brennstoffsysteme eine Vorkehrung für die Einspritzung von zwei verschiedenen Arten von Brennstoff, wobei die beiden verschiedenen Brennstoffe entweder simultan oder während verschiedener Teile des Motorarbeitszyklus eingespritzt werden können. Diese sind als „Doppelbrennstoff”-Systeme bekannt. Bei einer Ausführungsform sind die Brennstoffeinspritzdüsen deshalb als Doppelbrennstoffeinspritzdüsen ausgelegt, wobei:
jede Brennstoffeinspritzdüse eine Außenwand, eine erste Brennstoffpassage für einen ersten Brennstoff und eine zweite Brennstoffpassage für einen zweiten Brennstoff umfasst;
sich die zweite Brennstoffpassage innerhalb der ersten Brennstoffpassage befindet;
die Brennstoffeinspritzdüsen-Konvektionskühlpfade zwischen der ersten Brennstoffpassage und der Außenwand jeder Brennstoffeinspritzdüse definiert sind;
ein erster Brennstoff durch mehrere radial beabstandete erste Einspritzdüsenrohre, die sich von der ersten Brennstoffpassage durch die Außenwand der Brennstoffeinspritzdüse erstrecken, in die Mischzonen eingespritzt werden kann;
ein zweiter Brennstoff durch mehrere radial beabstandete zweite Einspritzdüsenrohre, die sich von der zweiten Brennstoffpassage durch eine Wand der ersten Brennstoffpassage und die Außenwand der Brennstoffeinspritzdüse erstrecken, in die Mischzonen eingespritzt werden kann, wobei die zweiten Einspritzdüsenrohre einen kleineren Querschnitt aufweisen als die ersten Einspritzdüsenrohre und sich konzentrisch durch die ersten Einspritzdüsenrohre erstrecken; und
jedes erste Einspritzdüsenrohr durch ein entsprechendes Loch in der Außenwand der Brennstoffeinspritzdüse vorsteht, wobei die Löcher einen größeren Querschnitt als die ersten Einspritzdüsenrohre aufweisen, wobei bei Verwendung Kühlluft als ringförmige Strahlen von Luft, die Strahlen des ersten und/oder zweiten Brennstoffs umgeben, aus dem Brennstoffeinspritzdüsen-Kühlpfad in die Mischzonen austritt.
Bevorzugt ist die erste Brennstoffpassage für gasförmigen Brennstoff und die zweite Brennstoffpassage für flüssigen Brennstoff.
In der Regel wird an dem Ausgang der Zwischenüberhitzungsbrennkammer ein ringförmiges Array aus Niederdruckturbinen-Einlassleitschaufeln (LP IGVs) vorgesehen sein, um die zwischenüberhitzten Verbrennungsgase in die Niederdruckturbine zu lenken. Bei einer weiteren Ausführungsform können die LP IGVs von der gleichen, für die Konvektionskühlung des Zwischenüberhitzungsbrenners verwendeten Luft konvektiv gekühlt werden, d. h., ein Konvektionskühlpfad in jedem LP IGV kommuniziert mit mindestens einem Konvektionskühlpfad in der Zwischenüberhitzungsbrennkammer. Es versteht sich deshalb, dass eine einzelne Quelle von Kühlluft verwendet werden kann, um die LP IGVs, die ringförmige Brennkammer, den Brennstoff-Gas-Mischer und die Brennstoffeinspritzdüsen nacheinander zu kühlen, bevor die Brennstoffeinspritzdüsen schließlich die Kühlluft mit dem Brennstoff in den Brennstoff-Gas-Mischer einspritzen. Dadurch wird eine Erhöhung der Effizienz relativ zu dem oben beschriebenen Gasturbinenmotor nach dem Stand der Technik erreicht, bei dem für die Effusions- oder Filmkühlung der LP IGVs verwendete Kühlluft einfach in den Hauptstrom entlassen wird und eine oder mehrere separate Quellen von Kühlluft zum Kühlen von anderen Teilen des Zwischenüberhitzungsbrenners und der HP OGVs verwendet werden. Die Kühlluft für die obige Konvektionskühlaufgabe wird bevorzugt von dem Niederdruckkompressor des Gasturbinenmotors geliefert, in dem sich der Zwischenüberhitzungsbrenner befindet. Wenngleich bei dieser Ausführungsform die Kühlluft Hitze von den LP IGVs, der Zwischenüberhitzungsbrennkammer, dem Brennstoff-Gas-Mischer und den Brennstoffeinspritzdüsen absorbiert hat, bevor sie in den Brennstoff-Gas-Mischer eingespritzt wird, weist sie immer noch einen signifikanten Kühl- und Abschirmeffekt auf, wenn sie koaxial mit dem Brennstoff eingespritzt wird, und trägt deshalb zu einer Reduktion bei der Zwischenüberhitzungsflammentemperatur bei, wodurch die Konzentration an unerwünschten NO_x-Emissionen reduziert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine in Längsrichtung und radial geschnittene Ansicht eines Teils eines Gasturbinenmotors über der Turbinenrotationsachse X-X und mit einem Verbrennungssystem nach dem Stand der Technik;
2 ist eine in Längsrichtung und radial geschnittene Ansicht, die einen Zwischenüberhitzungsbrenner nach dem Stand der Technik zeigt, der einen Teil des in 1 gezeigten Verbrennungssystems bildet;
3A ist eine Ansicht ähnlich 2, die aber eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3B ist eine vergrößerte Ansicht auf den rechteckigen Bereich B in 3A;
3C ist eine Ansicht, die in der Richtung von Pfeil C in 3A sieht; und
4 ist eine Ansicht ähnlich 3A, die eine Modifikation der Ausführungsform von 3A zeigt.
Alle Zeichnungen sind vom Charakter her schematisch und sind nicht maßstabsgetreu.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
3A zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Zwischenüberhitzungsbrenners 50 für einen Gasturbinenmotor. Mit Ausnahme von unten zu beschreibenden bestimmten Aspekten des Zwischenüberhitzungsbrenners 50 ist der Motor, von dem der Zwischenüberhitzungsbrenner ein Teil ist, allgemein von dem gleichen oder einem ähnlichen Aufbau wie der zuvor bezüglich der 1 und 2 beschriebene zwischenüberhitzte Gasturbinenmotor 10 nach dem Stand der Technik. Der Zwischenüberhitzungsbrenner 50 umfasst wieder einen Brennstoff-Gas-Mischer 51 von allgemein ringförmiger Form. Wie in 3C angezeigt, die eine Ansicht auf Pfeil C in 3A ist, ist das stromaufwärtige Ende des Brenners in ein ringförmiges Array von umfangsmäßig beabstandeten Mischzonen 52 unterteilt, die durch Seitenwände 52A definiert werden. Jede Mischzone 52 weist einen Einlass 53 auf, der Verbrennungsabgase empfängt, die von einem primären Brenner erzeugt worden sind und dann durch eine Hochdruckturbine expandiert wurden. Der Zwischenüberhitzungsbrenner 50 umfasst außerdem eine ringförmige Brennkammer 58, die sich bei und hinter dem Brennstoff-Gas-Mischer 51 befindet. Die Brennstoff-Luft-Gasmischung strömt durch Auslässe 56 der individuellen Mischzone 52 und expandiert in die ringförmige Brennkammer 58 durch ihren Einlass 60.
Der Zwischenüberhitzungsbrenner 50 umfasst weiterhin ein ringförmiges Array von über den Umfang beabstandeten Brennstoffeinspritzdüsen 63, von denen nur eine in 3A gezeigt ist, wenngleich in 3C mehrere gezeigt sind. Jede Brennstoffeinspritzdüse spritzt Brennstoff und Luft in eine Mischzone 52 des Brennstoff-Gas-Mischers 51 ein. Wie im Stand der Technik, sollten die Anzahl und die Winkelbeabstandung der Mischzonen und Brennstoffeinspritzdüsen, die verwendet werden, ausreichen, um sicherzustellen, dass die Umfangsverteilung von gemischtem Brennstoff, Luft und Verbrennungsgasen um die ringförmige Brennkammer 58 herum eine effiziente Verbrennung ermöglicht. Falls beispielsweise eine Mischzone 52 eine ausreichend große Winkelerstreckung zwischen ihren umfangsmäßig beabstandeten Seitenwänden 52A aufweist, wird es notwendig sein, dass sie mehr als eine Brennstoffeinspritzdüse aufweist, um eine adäquate Umfangsverteilung von gemischtem Brennstoff, Luft und Verbrennungsgasen sicherzustellen.
Die Geschwindigkeit der Brennstoffmischung in der Abwärtsrichtung verlangsamt sich wegen ihrer Expansion in die größere Querschnittsfläche der ringförmigen Brennkammer 58 abrupt, woraufhin der Brennstoff in der Mischung spontan brennt oder sich selbst in der Brennkammer aufgrund der Anwesenheit der heißen Verbrennungsgase entzündet. Das Mischen des eingespritzten Brennstoffs und der expandierten Verbrennungsgase erfolgt hauptsächlich in den Mischzonen 52, und die Verbrennung der Mischung erfolgt hauptsächlich in der Brennkammer 58, doch ist zu verstehen, dass Verbrennungsprozesse in dem Brennstoff-Gas-Mischer 51 beginnen können und dass das Mischen in der Brennkammer 58 fortgesetzt wird.
Die ringförmige Brennkammer 58 weist Wände mit einem doppelhäutigen Aufbau auf, der radial innere und radial äußere Verbrennungsauskleidungen 64, 66 umfasst, die jeweilige radial innere und radial äußere Brennkammerkühlpfade 68, 70 definieren, durch die Kühlluft strömt, um dadurch die Brennkammerwände konvektiv zu kühlen. Die Mischzonen 52 weisen ebenfalls Wände aus einem doppelhäutigen Aufbau auf, wodurch jeweilige radial innere und radial äußere Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfade 76, 78 für die Konvektionskühlung definiert werden. Es wird bevorzugt, dass die Seitenwände 52A der Mischzonen 52 ebenfalls doppelhäutig sind, um weitere Konvektionskühlwege in der Brennstoff-Gas-Mischer-Struktur bereitzustellen.
In der dargestellten Ausführungsform befindet sich der radial innere Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfad 76 in einer Reihenstromkommunikation mit dem radial inneren Verbrennungskammerkühlpfad 68, wodurch ein gemeinsamer, radial innerer Konvektionskühlpfad für den Zwischenüberhitzungsbrenner definiert wird. Gleichermaßen befindet sich der radial äußere Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfad 78 in einer Reihenstromkommunikation mit dem radial äußeren Brennkammerkühlpfad 70, wodurch ein gemeinsamer, radial äußerer Konvektionskühlpfad für den Zwischenüberhitzungsbrenner definiert wird. Es ist zweckmäßig, falls diese Kühlbrennkammer- und Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfade ihren Vorrat an Kühlluft von einer gemeinsamen Quelle empfangen, bevorzugt einem Niederdruckkompressor des Gasturbinenmotors.
In 3A und 3C wird angenommen, dass die über den Umfang beabstandeten Seitenwände 52A jeder Mischzone 52 interne Kühlstrompfade aufweisen und in Strömungskommunikation mit einem oder beiden der radial inneren und radial äußeren Brennkammerkühlpfade stehen. Um ein einfacheres Design des Zwischenüberhitzungsbrenners und seines Kühlsystems zu ermöglichen, kann es alternativ so ausgelegt sein, dass die Kühlluft von den Brennkammerauskleidungen (d. h. den radial inneren und äußeren Brennkammerkühlpfaden 68, 70) in eine den Brennstoff-Luft-Mischer umgebende, nicht gezeigte Plenumskammer strömt und dass alle Kühlpfade in dem Brennstoff-Gas-Mischer so verbunden sind, dass sie ihren Vorrat an Kühlluft von der Plenumskammer empfangen.
Die Brennstoffeinspritzdüsen 63 liegen in Form von hohlen Streben 80 vor, die sich über den Einlass 53 des Brennstoff-Gas-Mischers 51 erstrecken. Die Streben 80 werden in der Regel einen kreisförmigen, elliptischen oder ähnlichen Querschnitt aufweisen. Jede Strebe weist einen Kühlluftpfad 84 auf, der zwischen einer Außenwand und einer Innenwand der Strebe definiert ist, um eine Konvektionskühlung der Brennstoffeinspritzdüsen 63 zu ermöglichen. Die Brennstoffeinspritzdüsen 63 sind weiterhin so konfiguriert, dass, nachdem die Kühlluft für die Konvektionskühlung der ringförmigen Brennkammer 58, des Brennstoff-Gas-Mischers 51 und der Brennstoffeinspritzdüsen 63 verwendet worden ist, die verbrauchte Kühlluft mit dem Brennstoff aus den Brennstoffeinspritzdüsen 63 in die Brennstoff-Gas-Mischzonen 52 ausgetragen wird, wie durch die Bezugszahl 86 bezeichnet. Die verbrauchte Kühlluft erleichtert somit die Einspritzung des Brennstoffs und vermischt sich mit ihm, wodurch die Temperatur der resultierenden Mischung aus Brennstoff und expandierten Verbrennungsgasen, die in den Mischzonen 52 erzeugt wird, reduziert wird.
Der Aufbau der Brennstoffeinspritzdüse 63 ist in 3B ausführlicher dargestellt, die eine Ansicht des Teils innerhalb von Kasten B in 3A ist. Die 3A und 3B zeigen zusammen, dass Brennstoff 82 in ein Rohr 54 strömt, das an seinem radial inneren Ende verschlossen ist. Das Rohr 54 definiert somit eine Brennstoffpassage 83 innerhalb der Strebe 80. Strahlen von Brennstoff 82 treten aus der Passage 83 in die Mischzone 52 durch eine Anzahl von radial beabstandeten Brennstoffeinspritzdüsenrohren 85 aus, die sicher in der Wand des Rohrs 54 fixiert sind und die sowohl die Rohrwand als auch die Außenhaut 87 der Strebe 80 durchdringen, die die Außenwand des Einspritzdüsenkühlluftpfads 84 bildet. Luft, die zum konvektiven Kühlen der Einspritzdüse 63 verwendet worden ist, tritt aus dem Brennstoffeinspritzdüsenkühlpfad 84 durch Luftaustrittslöcher 88, die in der Außenhaut 87 jeder Strebe 80 vorgesehen sind, in die Mischzone 52 aus. Das distale oder freie Ende jedes Einspritzdüsenrohrs 85 steht durch ein entsprechendes der Luftaustrittslöcher 88 vor, wobei die Löcher 88 einen größeren Durchmesser als der Außendurchmesser der Rohre 85 aufweisen, sodass jeder von den Rohren 85 ausgehende Brennstoffstrahl von einem koaxialen ringförmigen Strahl aus Kühlluft umgeben ist. Die Luft weist somit einen kühlenden und abschirmenden Effekt auf, wodurch sie das Reduzieren der Zwischenüberhitzungsflammentemperatur und somit von NO_x-Emissionen unterstützt.
Um dem Zwischenüberhitzungsbrenner eine „Doppelbrennstoff”-Fähigkeit zu verleihen, können die Brennstoffeinspritzdüsen 63 so aufgebaut sein, dass sie zwei Arten von Brennstoff einspritzen, bevorzugt gasförmigen Brennstoff und flüssigen Brennstoff. Dies ist in 3B durch gestrichelte Linien schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform umfasst jede Brennstoffeinspritzdüsenstrebe 80 eine Außenwand 87, ein erstes Rohr 54, das eine erste Brennstoffpassage 83 definiert, und ein zweites Rohr 100, das innerhalb des ersten Rohrs 54 angeordnet ist, das eine zweite Brennstoffpassage 102 definiert. Bevorzugt ist der Brennstoff 82 in der Passage 83 gasförmig, zum Beispiel Erdgas, und der Brennstoff 104 in der Passage 102 ist flüssig, zum Beispiel Diesel- oder Brennstofföl. Zusätzlich zu den radial beabstandeten Einspritzdüsenrohren 85, die sich von der Brennstoffpassage 83 durch die Wand des Rohrs 54 und die Außenwand 87 der Brennstoffeinspritzdüsenstrebe 80 erstrecken, wird ein zweiter Satz von radial beabstandeten Einspritzdüsenrohren 106 bereitgestellt, um Brennstoff 104 in die Mischzone 52 des Brennstoff-Gas-Mischers 51 einzuspritzen. Die Einspritzdüsenrohre 106 weisen einen kleineren Querschnitt auf als die Einspritzdüsenrohre 85 und erstrecken sich von der zweiten oder inneren Brennstoffpassage 102 durch ihre Wand, wie durch Rohr 100 definiert, und dann konzentrisch durch die Einspritzdüsenrohre 85. Falls beide Brennstoffe gleichzeitig innerhalb des Zwischenüberhitzungsbrenners verbrannt werden sollen, können somit Strahlen des zweiten Brennstoffs konzentrisch innerhalb von Strahlen des ersten Brennstoffs in dem Brennstoff-Gas-Mischer 51 eingespritzt werden. Weiterhin tritt, wie zuvor beschrieben, weil Einspritzdüsenrohre 85 durch Löcher 88 in der Außenwand 87 der Brennstoffeinspritzdüsenstrebe vorstehen, Kühlluft aus dem Brennstoffeinspritzdüsenkühlpfad 84 als ringförmige Luftstrahlen in den Brennstoff-Gas-Mischer 51 aus. Jeder derartige Luftstrahl umgibt deshalb und ist koaxial mit einem Strahl des ersten Brennstoffs und/oder einem Strahl des zweiten Brennstoffs, gemäß dem gewünschten Arbeitsmodus des Zwischenüberhitzungsbrenners.
3A zeigt die koaxialen Strahlen 86 aus Brennstoff und Kühlluft, die aus den Brennstoffeinspritzdüsen 63 in einer auf die Abwärtsrichtung ausgerichteten Richtung austreten, und dies ist die bevorzugte Orientierung der Einspritzdüsenrohre und ihrer umgebenden Luftaustrittslöcher 88.
Die relativen Abmessungen der Rohre 85, 106 und der Löcher 88 sind wie erforderlich gewählt, um die gewünschte Brennstoff-Misch- und -Verbrennungscharakteristika zu erhalten, und hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, kann aber durch den Einsatz von computerisierten Fluidströmungsmodellierungs- und Anlagentests festgestellt werden. Falls dies für ein korrektes Funktionieren der Mischzonen 52 und der Brennkammer 58 notwendig oder wünschenswert ist, kann die Anzahl an Luftlöchern 88 größer sein als die Anzahl an Einspritzdüsenrohren 85, wobei jene Luftlöcher, die nicht mit entsprechenden Einspritzdüsenrohren gepaart sind, zum Beispiel zwischen benachbarten Einspritzdüsenrohren oder nahe den Wänden der Mischzone 52 und radial beabstandet angeordnet sind.
Die Temperatur der Kühlluft wird bis zu der Zeit, zu der sie in die Mischzonen 52 eingespritzt wird, gestiegen sein, weil sie zum konvektiven Kühlen mehrerer Komponententeile des Zwischenüberhitzungsbrenners 50 verwendet worden ist. Ihre Temperatur wird jedoch immer noch ausreichend niedrig sein (relativ zu der Temperatur der expandierten Verbrennungsgase, die von der Hochdruckturbine 18 in die Mischzonen 52 geströmt sind), um einen signifikanten Kühleffekt zu besitzen. Dieser Kühleffekt wird weiter durch die Tatsache verstärkt, dass die Kühlluft einen hohen Massenstrom aufweist, in der Regel in der Größenordnung von dem Doppelten des Massenstroms der mit dem Brennstoff in dem unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Zwischenüberhitzungsbrenner 24 eingespritzten Trägerluft. Die Reduktion bei der Temperatur der Mischung aus dem eingespritzten Brennstoff und den expandierten Verbrennungsgasen führt zu einer Reduktion der Flammentemperatur, wenn die Mischung in der ringförmigen Brennkammer 58 verbrannt wird, und zu einer folglichen Reduktion in der Konzentration an unerwünschten NO_x-Emissionen.
Im Gegensatz zu dem unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Stand der Technik macht es die Einspritzung der Konvektionskühlluft zusammen mit dem Brennstoff in den Brennstoff-Gas-Mischer 51 unnötig, die Brennstoffeinspritzdüsen 62 mit Trägerluft von einer separaten Quelle zu versorgen. Ein den Zwischenüberhitzungsbrenner 50 enthaltender Gasturbinenmotor ist deshalb effizienter als der Gasturbinenmotor 10 nach dem Stand der Technik.
Die Verwendung der konvektiv gekühlten Brennstoffeinspritzdüsen 63 vom Rohrtyp ermöglicht das Eliminieren der Hochdruckturbinen-Auslassleitschaufeln 27 und der Wirbelgeneratoren 29, die in dem Gasturbinenmotor 10 nach dem Stand der Technik von 1 erforderlich sind, weil Einspritzdüsenrohre oder die aus ihnen austretenden Brennstoffstrahlen dem stromabwärtigen Fluss von Verbrennungsgasen ungeachtet dessen das gleiche Profil darbieten, welche Quergeschwindigkeitskomponenten in dem Strom vorliegen. Dies führt zu einer weiteren Steigerung der Effizienz und der Leistungsabgabe eines Gasturbinenmotors, der den Zwischenüberhitzungsbrenner 50 enthält, weil der Druckabfall durch den Brennstoff-Gas-Mischer 51 reduziert ist. Das Fehlen der Hochdruckturbinen-Auslassleitschaufeln 27 und der Wirbelgeneratoren 29 ermöglicht auch das Reduzieren der Querschnitte der Mischzonen 52 ohne eine Steigerung beim Druckabfall, wodurch die Geschwindigkeit des Hauptstroms von Verbrennungsgasen durch den Zwischenüberhitzungsbrenner 50 gesteigert wird. Dies ist vorteilhaft, da es die Verbrennung von Brennstoffen wie etwa Synthesegas und trockenem 61 in dem Zwischenüberhitzungsbrenner 50 ohne Flashback gestattet, und zwar aufgrund der reduzierten Verweilzeit in den Mischzonen 52 und der ringförmigen Brennkammer 58.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird eine zweite Ausführungsform eines Zwischenüberhitzungsbrenners 90 gezeigt. Der Zwischenüberhitzungsbrenner 90 ist vom Aufbau und von dem Betrieb her ähnlich dem oben beschriebenen Zwischenüberhitzungsbrenner 50. Entsprechende Komponenten werden somit mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht wieder beschrieben.
Der Auslass 62 des Zwischenüberhitzungsbrenners 90 gibt in die Niederdruckturbine durch ein Array aus über den Umfang beabstandeten Einlassleitschaufeln (LP IGVs) aus, von denen eine schematisch bei der Bezugszahl 92 gezeigt ist. Jede der LP IGVs 92 enthält einen Schaufelkühlpfad 94, durch den Kühlluft für die Konvektionskühlung der Schaufeln 92 strömt. In der dargestellten Ausführungsform führt die gleiche Kühlluft mehrere Kühlaufgaben aus. Sie wird von dem Niederdruckkompressor geliefert und strömt anfänglich durch den Leitschaufelkühlpfad 94, bevor sie sich aufteilt, um durch zwei parallele Strömungspfade zu strömen, d. h. die radial inneren Kühlpfade 68, 76 und die radial äußeren Kühlpfade 70, 78, in den Wänden der Brennkammer 58 und der Mischzonen 52 des Brennstoff-Gas-Mischers 51. Die radial inneren und äußeren Strömungspfade vereinigen sich dann zum konvektiven Kühlen der Brennstoffeinspritzdüsen 63, die dann die verbrauchte Kühlluft zusammen mit dem Brennstoff in die Mischzonen 52 einspritzen.
Anhand des oben Gesagten ist zu verstehen, dass, weil ein separater Vorrat an Kühlluft nicht erforderlich ist, um für eine Effusionskühlung oder Filmkühlung der LP IGVs 92 zu sorgen, eine weitere Steigerung bei der Effizienz im Vergleich zu Gasturbinenmotoren nach dem Stand der Technik mit einem den Zwischenüberhitzungsbrenner 90 verwendenden Gasturbinenmotor erzielt werden kann.
Ausführungsformen wurden oben lediglich beispielhaft beschrieben, und innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie beansprucht, können Modifikationen vorgenommen werden. Somit sollten die Breite und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht durch irgendeine der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt werden. Beispielsweise ist es möglich, dass eine Konvektionskühlung nur für den Brennstoff-Gas-Mischer 51 verwendet werden könnte, bevor die Kühlluft durch die Brennstoffeinspritzdüsen 63 mit dem Brennstoff in die Mischzonen 52 eingespritzt wird, wobei die ringförmige Brennkammer 58 auf andere Weise als durch Konvektionskühlung gekühlt wird.
Wenngleich bevorzugt wird, radial innere und radial äußere doppelhäutige Wände 64, 66, 72, 74 bereitzustellen, um jeweilige radial innere und radial äußere Konvektionskühlpfade 68, 70, 76, 78 zum Kühlen der Brennkammer 58 und des Brennstoff-Gas-Mischers 51 zu definieren, wäre es alternativ möglich, effusionsgekühlte Wände entweder gegen die inneren oder die äußeren konvektiv gekühlten Wände zu substituieren, wodurch nur ein radial innerer oder ein radial äußerer Brennkammer-Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfad definiert wird.
Aufgrund der Vorteile, die durch Eliminieren der Notwendigkeit für HP OGVs und Wirbelgeneratoren zu erzielen sind, hat sich die obige Beschreibung auf die Verwendung von Brennstoffeinspritzdüsen 63 konzentriert, die mehrere Einspritzdüsenrohre für das Einspritzen von Brennstoff zusammen mit verbrauchter Kühlluft in Mischzonen umfasst. Innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung könnten jedoch auch andere bekannte Arten von Brennstoffeinspritzdüsen alternativ verwendet werden, vorausgesetzt, solche Einspritzdüsen könnten modifiziert werden, um den Brennstoff zusammen mit der verbrauchten Kühlluft einzuspritzen.
Es ist zu verstehen, dass sich Brennstoffeinspritzdüsen 63 axial an einer beliebigen geeigneten Position an oder hinter dem Einlass 53 innerhalb der Mischzonen 52 befinden können, wie dies notwendig ist, um die gewünschte Brennstoffmischung und Zündcharakteristika für den Verbrennungsprozess zu erhalten. Zudem können die ganzen Längen der Mischzonen 52 konvektiv gekühlt werden, wie in 3A und 4 gezeigt, oder es können nur die Teile der Mischzonen 52, die sich hinter den Brennstoffeinspritzdüsen 63 befinden, konvektiv gekühlt werden.
Man beachte, dass jedes in der Patentschrift offenbarte Merkmal, einschließlich den Ansprüchen und Zeichnungen, durch alternative Merkmale ersetzt werden kann, die den gleichen, äquivalenten oder ähnlichen Zwecken dienen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Sofern nicht der Kontext klar etwas anderes erfordert, sind in der Beschreibung und den Ansprüchen die Wörter „umfassen”, „umfassend” und dergleichen in einem inklusiven statt in einem exklusiven oder erschöpfenden Sinne auszulegen; d. h., in dem Sinne von „enthaltend, aber nicht beschränkt auf”.

Claims

Zwischenüberhitzungsbrenner (50) für einen Gasturbinenmotor, der Folgendes umfasst: einen Brennstoff-Gas-Mischer (51) zum Mischen von Brennstoff mit Verbrennungsgasen (43), die von einem primären Brenner erzeugt worden sind und sich durch eine Hochdruckturbine expandiert haben; mehrere Brennstoffeinspritzdüsen (63) zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennstoff-Gas-Mischer (51) und eine ringförmige Brennkammer (58) hinter dem Brennstoff-Gas-Mischer (51), in der die Mischung aus eingespritztem Brennstoff und Verbrennungsgasen vor der Expansion durch eine Niederdruckturbine verbrannt wird; dadurch gekennzeichnet, dass: Wandmittel (72, 74) des Brennstoff-Gas-Mischers (51) mindestens einen konvektiven Kühlpfad (76, 78) definieren, durch den Kühlluft fließt, um bei Verwendung den Brennstoff-Gas-Mischer konvektiv zu kühlen; und die Brennstoffeinspritzdüsen (63) ausgelegt sind, um die zuvor für das Konvektionskühlen des Brennstoff-Gas-Mischers verwendete Kühlluft zusammen mit dem Brennstoff in Mischzonen des Brennstoff-Gas-Mischers einzuspritzen.
Zwischenüberhitzungsbrenner nach Anspruch 1, wobei ein Wandmittel jeder Brennstoffeinspritzdüse einen Brennstoffeinspritzdüsen-Konvektionskühlpfad definiert und der Brennstoffeinspritzdüsen-Konvektionskühlpfad verbunden ist, um Kühlluft von dem mindestens einen Konvektionskühlpfad des Brennstoff-Gas-Mischers zu empfangen.
Zwischenüberhitzungsbrenner nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Brennstoff-Gas-Mischer eine ringförmige Gesamtstruktur umfasst, die in mehrere diskrete Mischzonen unterteilt ist, wobei jede Mischzone mindestens eine Brennstoffeinspritzdüse aufweist, wobei die Mischzonen winkelmäßig um den Ring herum beabstandet sind, wobei die Umfangserstreckung der individuellen Mischzonen durch winkelmäßig beabstandete Seitenwände definiert wird und ihre Radialerstreckung durch die radial inneren und radial äußeren Wände des Brennstoff-Gas-Mischers definiert wird, wobei die Seitenwände und/oder mindestens eine der radial inneren und äußeren Wände mindestens einen Brennstoff-Gas-Mischer-Konvektionskühlpfad definieren, durch den die Kühlluft strömt, um bei Gebrauch den Brennstoff-Gas-Mischer konvektiv zu kühlen.
Zwischenüberhitzungsbrenner nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Brennkammer eine radial innere und/oder eine radial äußere Brennkammerwand aufweist, die einen Brennkammerkühlpfad definiert, durch den die Kühlluft strömt, um bei Verwendung die Brennkammer konvektiv zu kühlen.
Zwischenüberhitzungsbrenner nach Anspruch 4, wobei mindestens ein Kühlpfad der Brennkammer und mindestens ein Kühlpfad des Brennstoff-Gas-Mischers verbunden sind, damit Kühlluft durch einen Brennkammerkühlpfad und dann durch einen Brennstoff-Gas-Mischer-Kühlpfad strömen kann.
Zwischenüberhitzungsbrenner nach einem vorhergenden Anspruch, wobei ein ringförmiges Array aus Niederdruckturbinen-Einlassleitschaufeln (LP IGVs) an einem Ausgang der Zwischenüberhitzungsbrennkammer vorgesehen ist und ein Konvektionskühlpfad in jeder LP IGV mit mindestens einem Konvektionskühlpfad in der Zwischenüberhitzungsbrennkammer kommuniziert.
Zwischenüberhitzungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich alle konvektiv gekühlten Kühlpfade einen gemeinsamen Vorrat an Kühlluft teilen.
Zwischenüberhitzungsbrenner nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die Brennstoffeinspritzdüsen radial in die Mischzonen erstrecken und ausgelegt sind, um Brennstoff in die Mischzonen koaxial innerhalb ringförmiger Strahlen der Kühlluft einzuspritzen, wobei die Einspritzung in der Abwärtsrichtung erfolgt.
Zwischenüberhitzungsbrenner nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffeinspritzdüsen-Konvektionskühlpfade zwischen einer inneren Brennstoffpassage und einer Außenwand jeder Brennstoffeinspritzdüse definiert sind und Brennstoff durch mehrere radial beabstandete Brennstoffeinspritzdüsenrohre, die sich von der Brennstoffpassage durch entsprechende Löcher in der Außenwand erstrecken, in die Mischzonen eingespritzt werden kann, wobei die Löcher einen größeren Querschnitt aufweisen als die Rohre, wobei bei Verwendung Kühlluft als ringförmige Strahlen von Luft, die Strahlen von Brennstoff umgeben, aus dem Brennstoffeinspritzdüsen-Kühlpfad in die Mischzonen austritt.
Zwischenüberhitzungsbrenner nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffeinspritzdüsen Doppel-Brennstoffeinspritzdüsen sind, wobei: jede Brennstoffeinspritzdüse eine Außenwand, eine erste Brennstoffpassage für einen ersten Brennstoff und eine zweite Brennstoffpassage für einen zweiten Brennstoff umfasst; sich die zweite Brennstoffpassage innerhalb der ersten Brennstoffpassage befindet; die Brennstoffeinspritzdüsen-Konvektionskühlpfade zwischen der ersten Brennstoffpassage und der Außenwand jeder Brennstoffeinspritzdüse definiert sind; ein erster Brennstoff durch mehrere radial beabstandete erste Einspritzdüsenrohre, die sich von der ersten Brennstoffpassage durch die Außenwand der Brennstoffeinspritzdüse erstrecken, in die Mischzonen eingespritzt werden kann; ein zweiter Brennstoff durch mehrere radial beabstandete zweite Einspritzdüsenrohre, die sich von der zweiten Brennstoffpassage durch eine Wand der ersten Brennstoffpassage und die Außenwand der Brennstoffeinspritzdüse erstrecken, in die Mischzonen eingespritzt werden kann, wobei die zweiten Einspritzdüsenrohre einen kleineren Querschnitt aufweisen als die ersten Einspritzdüsenrohre und sich konzentrisch durch die ersten Einspritzdüsenrohre erstrecken; und jedes erste Einspritzdüsenrohr durch ein entsprechendes Loch in der Außenwand der Brennstoffeinspritzdüse vorsteht, wobei die Löcher einen größeren Querschnitt als die ersten Einspritzdüsenrohre aufweisen, wobei bei Verwendung Kühlluft als ringförmige Strahlen von Luft, die Strahlen des ersten und/oder zweiten Brennstoffs umgeben, aus dem Brennstoffeinspritzdüsen-Kühlpfad in die Mischzonen austritt.
Gasturbinenmotor, der Folgendes umfasst: einen Niederdruckkompressor, einen Hochdruckkompressor, einen primären Brenner, eine Hochdruckturbine zum Expandieren von von dem primären Brenner erzeugten Verbrennungsgasen, einen Zwischenüberhitzungsbrenner zum Zwischenüberhitzen der Verbrennungsgase nach der Expansion durch die Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine zum Expandieren der zwischenüberhitzten Verbrennungsgase, wobei der Zwischenüberhitzungsbrenner (50) Folgendes umfasst: einen Brennstoff-Gas-Mischer (51) zum Mischen von Brennstoff mit Verbrennungsgasen (43), die von dem primären Brenner erzeugt und durch eine Hochdruckturbine expandiert worden sind; mehrere Brennstoffeinspritzdüsen (63) zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennstoff-Gas-Mischer (51); eine ringförmige Brennkammer (58) hinter dem Brennstoff-Gas-Mischer (51), in dem die Mischung aus eingespritztem Brennstoff und Verbrennungsgasen vor, der Expansion durch eine Niederdruckturbine verbrannt wird; wobei ein Wandmittel (72, 74) des Brennstoff-Gas-Mischers mindestens einen Konvektionskühlpfad (76, 78) definiert, durch den Kühlluft strömt, um bei Verwendung den Brennstoff-Gas-Mischer konvektiv zu kühlen; und die Brennstoffeinspritzdüsen (63) ausgelegt sind, um die zuvor für das Konvektionskühlen des Brennstoff-Gas-Mischers verwendete Kühlluft zusammen mit dem Brennstoff in Mischzonen (52) des Brennstoff-Gas-Mischers einzuspritzen.
Gasturbinenmotor nach Anspruch 11, wobei der Zwischenüberhitzungsbrenner wie in einem der Ansprüche 2 bis 10 beansprucht ist.
Gasturbinenmotor nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Kühlluft für die Konvektionskühlung von dem Niederdruckkompressor geliefert wird.
Verfahren zum Kühlen eines Zwischenüberhitzungsbrenners in einem Gasturbinenmotor, bei dem zuvor für das Konvektionskühlen mindestens eines Teils des Zwischenüberhitzungsbrenners verwendete Kühlluft zusammen mit Brennstoff von Brennstoffeinspritzdüsen in Mischzonen des Zwischenüberhitzungsbrenners eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Brennstoffeinspritzdüsen von der Kühlluft konvektiv gekühlt werden, bevor sie mit dem Brennstoff in die Mischzonen eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Mischzonen konvektiv gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine Brennkammer hinter den Mischzonen konvektiv gekühlt wird und Kühlluft von dort zum konvektiven Kühlen der Mischzonen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei Niederdruckturbinen-Einlassleitschaufeln (LP IGVs) hinter der Brennkammer konvektiv gekühlt werden und Kühlluft von dort zum konvektiven Kühlen der Brennkammer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Kühlluft von einer einzelnen Quelle geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Kühlluft von einem Niederdruckkompressor des Gasturbinenmotors geliefert wird.