DE112014001532B4 - Brenner und Gasturbine - Google Patents

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Abstract

Brenner (14), aufweisendeine Pilotdüse (40),mehrere in Umfangsrichtung auf einer Außenumfangsseite der Pilotdüse (40) beabstandet angeordnete Hauptdüsen (44), die dazu ausgestaltet sind, eine Vormischungsverbrennung durchzuführen,einen Innenzylinder (34), der die Pilotdüse (40) und die Hauptdüsen (44) umgibt,ein Ringteil (50), das eine sich entlang einer Axialrichtung, in der im Betrieb des Brenners (14) ein Brennstoff-Luft-Gemisch strömt, erstreckende zylindrische Form mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser aufweist und das an einem Vorderende des Innenzylinders (34) vorgesehen ist, undeinen Verbrennungszylinder (36), bei dem eine Innenfläche außen auf den Innenzylinder (34) aufgesetzt ist und der das Ringteil (50) umgibt,wobei sich das Ringteil (50) parallel zu einer Innenwandfläche (66) des Verbrennungszylinders (36) in der Axialrichtung erstreckt,wobei das Ringteil (50) so ausgebildet ist, dass dessen Innendurchmesser in der Axialrichtung konstant ist oder kleiner wird, undwobei das Ringteil (50) so ausgebildet ist, dass dessen Außendurchmesser in der Axialrichtung zu einem Endabschnitt des Ringteils (50) hin kleiner wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner und eine Gasturbine.
  • Bei einem Brenner, der z. B. für eine Gasturbine verwendet wird, wird eine Verringerung des entstehenden NOx (Stickoxids) verlangt.
  • Wie in JP 2005 - 171 894 A angegeben, wird im Hinblick auf den Brenner vorgemischtes Gas, das durch eine Vormischungs-Hauptdüse gebildet wird, dem Brenner zugeführt.
  • 10 ist ein Beispiel einer Strukturzeichnung eines herkömmlichen Brenners 100. Bei dem Brenner 100 ist zur Verhinderung einer Oszillationsverbrennung ein nach außen spitz zulaufendes (auch als konisch oder sich verbreiternde Kegelform bezeichnet) Ringteil 102 (im Folgenden als „Auslassaußenseitenring“ bezeichnet) an dem Vorderende eines Innenzylinders 103 vorgesehen. Dann wird im Hinblick auf den Brenner 100 das vorgemischte Gas, das aus einem Pilotbrenner 104 und einem Hauptbrenner 106 ausgestoßen wird, durch den Auslassaußenseitenring 102 entlang der Innenwandfläche 110 eines Verbrennungszylinders 108 geleitet.
  • Ferner wird bei dem herkömmlichen Brenner 100 ein Teil der Kompressionsluft aus einer Filmluft-Ausstoßöffnung 112, die außen an dem Auslassaußenseitenring 102 und an der Innenwandfläche 110 des Verbrennungszylinders 108 vorgesehen ist, als Filmluft zugeführt. Im Hinblick auf den Brenner 100, wird durch die Filmluft die Konzentration des vorgemischten Gases in der Nähe der Innenwandfläche 110 verdünnt. Dadurch wird ein Verbrennen des die Innenwandfläche 110 des Verbrennungszylinders 108 erreichenden vorgemischten Gases in der Nähe der Innenwandfläche 110 des Verbrennungszylinders 108 unterdrückt.
  • Die JP 2007 - 147 125 A zeigt eine Brennkammer einer Gasturbine, wobei die Brennkammer eine Pilotdüse und diese umgebende Hauptdüsen aufweist. Die Pilotdüse und die Hauptdüsen sind von einem Innenzylinder umgeben, der in ein Brennkammer-Übergangsstück mündet. Ein Innendurchmesser des Innenzylinders erweitert sich in Richtung einer stromabwärtigen Strömungsrichtung des durch die Brennkammer strömenden Brennstoff-Luftgemischs.
  • Um ein Verbrennen des vorgemischten Gases in der Nähe der Innenwandfläche eines Verbrennungszylinders zu verhindern, muss dafür gesorgt werden, dass die Konzentration des vorgemischten Gases an der Brennbarkeitsgrenze oder darunter liegt. Zur Reduzierung von NOx ist jedoch die Verwendung einer Mischung aus Kompressionsluft und Brennstoff einer Verwendung von Kompressionsluft als Filmluft vorzuziehen. Bei dem Brenner kann die Zufuhrmenge von Filmluft daher nicht ausreichend erhöht werden, sodass die Luftmenge von Kompressionsluft, die als Filmluft verwendet werden kann, begrenzt ist. Folglich beginnt die Verbrennung des vorgemischten Gases in der Nähe eines stromabwärtigen Endes des Auslassaußenseitenrings, oder es kommt auch vor, dass es in der Nähe der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders verbrennt.
  • Beginnt die Verbrennung des vorgemischten Gases an dem stromaufwärtigen Bereich eines Brenners wie in der Nähe des stromabwärtigen Endes des Auslassaußenseitenrings, verlängert sich die Verweildauer, während der das Hochtemperatur-Verbrennungsgas bis zum Erreichen des Auslasses des Brenners verweilt. Proportional zur Verweildauer des Verbrennungsgases nimmt jedoch die Entstehungsmenge an NOx zu, sodass zur Reduzierung von NOx eine kurze Verweildauer des Verbrennungsgases vorzuziehen ist.
  • Die Entstehungsmenge an NOx vermehrt sich infolge des Ansteigens der Flammentemperatur des Verbrennungsgases.
  • Im Hinblick auf das vorgemischte Gas erfolgt zwar eine erste Mischung in dem Hauptbrenner, die Mischung wird jedoch weiter gefördert, während es auch nach dem Verlassen des Hauptbrenners bis zum Verbrennen fortgesetzt wird. Da die Konzentration des Brennstoffs zur stromabwärtigen Seite des Brenners hin gleichmäßiger wird, sinkt die maximale Flammentemperatur des Verbrennungsgases. Das heißt, zur Reduzierung von NOx ist eine Verbrennung nach Vollendung der Mischung vorzuziehen. Eine Verbrennung nach Vollendung der Mischung führt auch zu einer Verkürzung der Verweildauer des Verbrennungsgases, sodass die Entstehungsmenge an NOx noch weiter verringert wird. Andererseits wird die Mischung des vorgemischten Gases weiter zur stromaufwärtigen Seite des Brenners (Brennerkopf) weniger ausreichend , sodass die Konzentration des Brennstoffs nicht gleichmäßig ist. Dadurch wird die maximale Flammentemperatur höher, je weiter auf der stromaufwärtigen Seite des Brenners die Verbrennung erfolgt. Außerdem verlängert sich die Verweildauer des Hochtemperatur-Verbrennungsgases, sodass die Entstehungsmenge an NOx zunimmt.
  • Je mehr vorgemischtes Gas am Brennerkopf auf der stromaufwärtigen Seite des Brenners verbrennt, desto größer wird der Bereich, in dem die Temperatur an der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders steigt. Dadurch entsteht die Notwendigkeit, die Filmluftmenge, die zur Erhöhung der Kühlwärmemenge für die Innenwandfläche des Verbrennungszylinders verwendet wird, zu erhöhen, sodass die Luftmenge für die Verbrennung abnimmt. Da ferner die Wärmeaustauschmenge mit dem Kühlmedium zunimmt, sinkt die Temperatur, sodass eine Erhöhung der Auslassgastemperatur des Brenners erforderlich wird. Das Ergebnis hiervon ist eine steigende Tendenz der Entstehungsmenge an NOx.
  • Die vorliegende Erfindung berücksichtigt diese Gegebenheiten und beabsichtigt die Bereitstellung eines Brenners und einer Gasturbine, bei denen eine Verbrennungsflamme realisiert wird, bei der die Entstehungsmenge an NOx weiter verringert werden kann.
  • Zum Lösen der vorstehenden Aufgabe, haben der Brenner und die Gasturbine der vorliegenden Erfindung die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 11.
  • Der Brenner gemäß der Erfindung weist eine Pilotdüse und mehrere in Umfangsrichtung auf der Außenumfangsseite der Pilotdüse beabstandet angeordnete Hauptdüsen auf, die die Vormischungsverbrennung durchführen. Ferner weist der vorliegende Aufbau einen Innenzylinder, der die Pilotdüse und die jeweiligen Hauptdüsen umgibt, ein an dem Vorderende des Innenzylinders vorgesehenes Ringteil, und einen Verbrennungszylinder auf, dessen Innenfläche außen auf dem Innenzylinder aufsitzt und das Ringteil umgibt.
  • Das vorgemischte Gas aus Brennstoff und Luft aus den Hauptdüsen wird zum Mischen und zur Flammenstabilisierung einer Drallströmung unterzogen und weist die Tendenz auf, zur Innenwandfläche des Verbrennungszylinders zu strömen und zu verbrennen. Daher hat das Ringteil bei diesem Aufbau nicht die herkömmliche, konische Form, sondern ist parallel zur Innenwandfläche des Verbrennungszylinders, oder so gebildet, dass der Innendurchmesser zur stromabwärtigen Seite der Strömung des vorgemischten Gases hin konstant ist oder kleiner wird. Dadurch kann der vorliegende Aufbau das vorgemischte Gas in Innenumfangsrichtung des Verbrennungszylinders zuführen.
  • Das heißt, der vorliegende Aufbau kann die Verbrennung, die herkömmlich in einem Bereich einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders aufgetreten ist, zu einer von der Innenwandfläche entfernten Stelle mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit verlagern. Dadurch bewegt sich das vorgemischte Gas leichter zur stromabwärtigen Seite hin, sodass der Verbrennungsbereich relativ zu der herkömmlichen Position zu der stromabwärtigen Seite verlagert wird. Infolgedessen verlagert sich der Erwärmungs- und Hochtemperaturbereich aufgrund des Verbrennens im Vergleich zu früher insgesamt zur stromabwärtigen Seite hin, sodass sich die Hochtemperatur-Verweildauer des Verbrennungsgases verkürzt. Außerdem verlängert sich die Mischungsdistanz bis zur Verbrennung, sodass die Konzentration des Brennstoffs gleichmäßig wird und die maximale Flammentemperatur sinkt. Aufgrund dessen nimmt die Entstehungsmenge an NOx ab.
  • Des Weiteren wird das vorgemischte Gas durch das Ringteil zur Innenumfangsrichtung des Verbrennungszylinders hin zugeführt, sodass die Größe eines Hochtemperatur-Rückführungsstroms, der sich in der Nähe der Mittelachse des Verbrennungszylinders bildet, kleiner wird. Dadurch nimmt das in dem Rückführungsbereich entstehende NOx ab.
  • Außerdem wird der Rückführungsstrom durch das Ringteil weiter zur Innenseite des Verbrennungszylinders hin gezwungen (konzentriert). Dadurch wird die Strömung auf der Außenumfangsseite des Rückführungsstroms beschleunigt und der Geschwindigkeitsgradient in radialer Richtung in dem Rückführungsstrombereich und an dessen Außenumfangsseite vergrößert sich. Infolgedessen wird die Gleichmäßigkeit des vorgemischten Gases an der Außenumfangsseite bis zur Verbrennung weiter gefördert, die maximale Flammentemperatur des Verbrennungsgases sinkt und die Entstehungsmenge an NOx nimmt ab.
  • Infolge der Verlagerung des Verbrennungsbereichs zur stromabwärtigen Seite, verlagert sich der Erwärmungs- und Hochtemperaturbereich an der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders im Vergleich zu früher zur stromabwärtigen Seite hin, sodass sich die Innenwandfläche, an der die Temperatur steigt, reduziert. Dadurch kann die Luftmenge zur Kühlung der Innenwandfläche reduziert werden, so dass die Luftmenge für die Verbrennung zunehmen kann. Infolgedessen sinkt die Flammentemperatur und die Entstehungsmenge an NOx sinkt.
  • Gemäß dem Vorstehenden verhindert der vorliegende Aufbau, dass das vorgemischte Gas auf der stromaufwärtigen Seite in der Nähe der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders verbrennt, und es kann eine Verbrennungsflamme realisiert werden, durch die eine Reduzierung der Erzeugungsmenge an NOx ermöglicht wird, indem die Größe des Hochtemperatur-Rückführungstroms, der in der Nähe der Mittelachse des Verbrennungszylinders gebildet wird, verkleinert wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau verkleinert sich der Außendurchmesser des Ringteils zum Endabschnitt des Ringteils hin.
  • Gemäß diesem Aufbau kann verhindert werden, dass am Endabschnitt des Ringteils eine Flammenstabilität entsteht und das Ringteil beschädigt wird.
  • Bei der Erfindung ist ein Aufbau bevorzugt, bei dem der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders auf der stromabwärtigen Seite des Endabschnitts des Ringteils eine Stufe aufweist und vergrößert ist, und aus einem Luftkanal, der in einem Zwischenraum zwischen dem Ringteil und dem Verbrennungszylinder vorgesehen ist, Luft in die Nähe der vorstehenden Stufe ausgestoßen wird.
  • Gemäß diesem Aufbau weist der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders auf der stromabwärtigen Seite des Endabschnitts des Ringteils eine Stufe auf und ist vergrößert. Dadurch besteht die Möglichkeit einer Rückzündung der Verbrennungsflamme in der Nähe dieser Stufe. Daher wird bei diesem Aufbau aus dem Luftkanal, der in dem Zwischenraum zwischen dem Ringteil und dem Verbrennungszylinder vorgesehen ist, Luft in die Nähe der Stufe ausgestoßen, sodass eine Rückzündung unterdrückt wird. Durch die in dem Luftkanal strömende Luft wird ferner das Ringteil konvektionsgekühlt, sodass die Temperatur des Ringteils weiter absinkt, wodurch eine Rückzündung in der Nähe des Ringteils unterdrückt wird.
  • Bei der Erfindung ist ein Aufbau bevorzugt, bei dem die Ausstoßöffnung zum Ausstoßen der Luft von der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders auf der stromabwärtigen Seite der vorstehenden Stufe des Verbrennungszylinders vorgesehen ist.
  • Gemäß diesem Aufbau erfolgt eine Abkühlung der stromabwärtigen Seite der Stufe des Verbrennungszylinders, sodass eine Flammenstabilisierung auf der stromabwärtigen Seite dieser Stufe verhindert wird.
  • Bei der Erfindung ist ein Aufbau bevorzugt, bei dem eine Akustikbox, die einen Resonanzraum, in dem mehrere Öffnungen in Umfangsrichtung des Verbrennungszylinders aufgebohrt sind, gebildet ist, innerhalb der vorstehenden Stufe des Verbrennungszylinders vorgesehen ist.
  • Gemäß diesem Aufbau erfolgt eine Abkühlung des Stufenabschnittes des Verbrennungszylinders, und durch den erteilten akustischen Dämpfungseffekt werden Druckänderungen in dem Verbrennungsbereich unterdrückt. Außerdem wird bei diesem Aufbau die Akustikbox innerhalb der Stufe vorgesehen, sodass ein freier Bereich effektiv genutzt werden kann und es nicht mehr erforderlich ist, eine Akustikbox außen am Verbrennungszylinder vorzusehen.
  • Bei der Erfindung ist ein Aufbau bevorzugt, bei dem der Luftkanal der passierenden Luft eine Drallkomponente erteilt.
  • Gemäß diesem Aufbau erfolgt dadurch, dass der den Luftkanal passierenden Luft eine Drallkomponente in Durchlassrichtung zu der Drallrichtung des vorgemischten Gases erteilt wird, eine Kühlung der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders. Andererseits wird dadurch, dass der den Luftkanal passierenden Luft eine Drallkomponente in zu der Drallrichtung des vorgemischten Gases entgegengesetzter Richtung erteilt wird, verhindert, dass die Verbrennungsflamme die Innenwandfläche des Verbrennungszylinders erreicht.
  • Bei der Erfindung ist ein Aufbau bevorzugt, bei dem der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders auf der stromabwärtigen Seite des Endabschnitts des Ringteils allmählich breiter wird.
  • Gemäß diesem Aufbau kann der Bereich einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders eliminiert werden. Dadurch kann der Bereich, wo die Verbrennung stattfindet, zu einem Bereich mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit verlagert werden, der von der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders entfernt ist, sodass der Verbrennungsbereich gegenüber der bisherigen Position weiter auf die stromabwärtige Seite verlagert wird. Infolgedessen reduziert sich die Entstehungsmenge an NOx, da sich aufgrund der Verlagerung des Erwärmungs- und Hochtemperaturbereichs wegen des Verbrennens zur stromabwärtigen Seite hin, die Hochtemperatur-Verweildauer des Verbrennungsgases verringert, und es durch die Verlängerung der Mischungsdistanz bis zur Verbrennung zu einer Senkung der maximalen Flammentemperatur kommt.
  • Bei der Erfindung ist ein Aufbau bevorzugt, bei dem in dem Bereich, in dem der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders vergrößert ist, eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Luft zu der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders vorgesehen ist.
  • Gemäß diesem Aufbau kann eine Verbrennung in dem Bereich, in dem der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders vergrößert ist, verhindert werden.
  • Bei der Erfindung ist ein Aufbau bevorzugt, bei dem in dem Bereich, in dem der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders vergrößert ist, eine Akustikbox vorgesehen wird, die einen Resonanzraum bildet, in den in Umfangsrichtung des Verbrennungszylinders mehrere Öffnungen eingebohrt sind.
  • Gemäß diesem Aufbau kann ein freier Bereich effektiv genutzt werden und es ist nicht mehr erforderlich, eine Akustikbox außen am Verbrennungszylinder vorzusehen.
  • Bei der Erfindung wird vorzugsweise ein Pilotkegel vorgesehen, der die Umgebung des vorderen Endes der Pilotdüse bedeckt, wobei ein Aufbau bevorzugt ist, bei dem das Vorderende der Pilotdüse in der Nähe des Randes des Pilotkegels positioniert ist.
  • Gemäß diesem Aufbau wird die Pilotdüse im Vergleich zu früher weiter zur stromabwärtigen Seite hin positioniert, sodass sich der Bereich einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, der durch die Rückführung des vorgemischten Gases aus Pilotbrennstoff und Luft verursacht wird, verkleinert und die Entstehung von NOx aufgrund des Rückführungsstroms unterdrückt wird. Da sich die Basis der Pilot-Flammenhaltung zur stromabwärtigen Seite hin verlagert, verlagert sich die Verbrennungsflamme zur stromabwärtigen Seite und die Entstehungsmenge an NOx nimmt ab.
  • Eine Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Merkmale des Patentanspruchs 11. Die Gasturbine weist einen Kompressor, der Luft komprimiert und Kompressionsluft erzeugt, den erfindungsgemäßen Brenner, von dem in die von dem Kompressor eingeleitete Kompressionsluft Brennstoff eingespritzt und Verbrennungsgas erzeugt wird, und eine Turbine, die durch das durch den Brenner erzeugte Verbrennungsgas drehbetrieben wird, auf.
  • Die vorliegende Erfindung weist den hervorragenden Effekt auf, dass eine Verbrennungsflamme realisiert wird, bei der die Entstehungsmenge an NOx verringert werden kann.
    • 1 ist ein Strukturbild der Gasturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist ein vertikaler Querschnitt des Brenners gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3A ist eine Teilvergrößerung des Endabschnitts des Auslassaußenseitenrings gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3B ist eine Teilvergrößerung des Endaabschnitts des Auslassaußenseitenrings und zeigt eine Form, bei der der Außendurchmesser des Auslassaußenseitenrings nicht verkleinert ist.
    • 4 ist ein vertikaler Querschnitt des Brenners gemäß eines abgewandelten Beispiels der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 5 ist ein vertikaler Querschnitt des Brenners gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6 ist ein vertikaler Querschnitt des Brenners gemäß einem abgewandelten Beispiel der zweiten Ausführungsform (nicht gemäß der Erfindung).
    • 7 ist ein vertikaler Querschnitt des Brenners gemäß einem weiteren abgewandelten Beispiel der zweiten Ausführungsform (nicht gemäß der Erfindung).
    • 8 ist ein vertikaler Querschnitt des Brenners gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 9 ist ein vertikaler Querschnitt des Brenners gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 10 ist ein vertikaler Querschnitt eines herkömmlichen Brenners.
  • Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform des Brenners und der Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.
  • Im Folgenden wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 1 ist das Strukturdiagramm einer Gasturbine 10, die den Brenner gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
  • Die Gasturbine 10 weist einen Kompressor 12, einen Brenner 14 und eine Turbine 16 auf.
  • Der Kompressor 12 erzeugt Kompressionsluft, indem er durch den Antrieb einer Drehachse 18 aufgenommene Luft komprimiert.
  • Der Brenner 14 ist ein Vormischbrenner, der Hochtemperatur- und Hochdruck-Brenngas erzeugt, indem er in die von dem Kompressor 12 eingeleitete Kompressionsluft Brennstoff einspritzt und verbrennt.
  • Die Turbine 16 wird durch das in dem Brenner 14 entstehende Verbrennungsgas drehangetrieben.
  • Die Turbine 16, der Kompressor 12 und ein Generator 20 sind über eine Drehachse 18 gekoppelt, sodass die in der Turbine 16 entstehende Drehantriebskraft über die Drehachse 18 auf den Kompressor 12 und den Generator 20 übertragen wird. Dann erzeugt der Generator 20 mittels der Drehantriebskraft der Turbine 16 Strom.
  • 2 ist ein vertikaler Querschnitt des Brenners 14 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • Der Brenner 14 weist einen Pilotbrenner 30, einen Hauptbrenner 32, einen Innenzylinder 34 und einen Verbrennungszylinder 36 (auch als Übergangsrohr bezeichnet) auf. Die durch den Kompressor 12 komprimierte Kompressionsluft wird auf die Außenumfangsseite des Brenners 14 geführt. Dann wird die zu dem Pilotbrenner 30 und dem Hauptbrenner 32 im Inneren des Brenners 14 geleitete Kompressionsluft von der Außenumfangsseite des Brenners 14 zu einer Lufteinströmöffnung 38 geleitet, sodass sie ins Innere des Brenners 14 zugeführt wird, und nach der Umkehr am rechten Endteil, wie bei Pfeil A in 2, von links nach rechts strömt.
  • Der Pilotbrenner 30 ist konfiguriert, indem eine Pilotdüse 40 entlang der zentralen Achse des Brenners 14 positioniert ist und Brennstoff einspritzt, um eine Verbrennung in einem Verbrennungsbereich auszuführen.
  • An dem Vorderende der Pilotdüse 40 ist ein Pilotkegel 42 so vorgesehen, dass er die Umgebung dieses Bereichs bedeckt. Der Pilotkegel 42 ist nahezu trichterförmig gebildet, wobei sich der Durchmesser in Richtung zur stromabwärtigen Seite der Strömung hin vergrößert. Durch den Pilotkegel 42 wird verhindert, dass das von der Pilotdüse 40 ausgespritzte Brennstoff-Luft-Gemisch und dessen Brennflamme zentrifugal diffundieren und es wird ein Einmischen in das Brennstoff-Luft-Gemisch aus der Hauptdüse 44 verhindert.
  • Ferner sind außen an der Pilotdüse 40 mehrere schaufelförmige Pilot-Verwirbelungsflügel 46 positioniert. Die Pilot-Verwirbelungsflügel 46 sind mit einem sich in die gleiche Richtung neigenden Anstellwinkel versehen. Dadurch wird die Strömung der Kompressionsluft zu einer Drallströmung (Wirbelströmung), und das Mischen der Kompressionsluft und des eingespritzten Pilotbrennstoffs wird gefördert.
  • Mehrere Hauptbrenner 32, die so angeordnet sind, dass sie in Umfangsrichtung der Außenumfangsseite der Pilotdüse 40 den gleichen Abstand haben, spritzen den Hauptbrennstoff ein. Dann werden der Hauptbrennstoff und die Kompressionsluft gemischt und die Vormischungsverbrennung durchgeführt.
  • An den jeweiligen Hauptbrennern 32 sind ferner Hauptdüsen 44 vorgesehen. An den Hauptdüsen 44 sind mehrere schaufelförmige Hauptverwirbelungsflügel 48 so positioniert, dass sie in Richtung der Hauptbrenner 32 hervorstehen. An den jeweiligen Hauptverwirbelungsflügeln 48 sind mehrere Ausspritzöffnungen zum Ausspritzen des Hauptbrennstoffs vorgesehen. Da diese Hauptverwirbelungsflügel 48 mit einem sich in die gleiche Richtung neigenden Anstellwinkel versehen sind, entsteht bei der Strömung des Gasgemischs aus dem Hauptbrennstoff und der Kompressionsluft eine Drallströmung (Wirbelströmung) in die gleiche Drehrichtung, sodass die Mischung gefördert wird.
  • Der Innenzylinder 34 hat etwa dieselbe Achse wie die Pilotdüse 40 und ist so gebildet, dass er die Pilotdüse 40 und die Hauptdüsen 44 insgesamt bedeckt. Dann ist an dem Vorderende des Innenzylinders 34 ein Auslassaußenseitenring 50 (Ringteil) vorgesehen, der an der stromabwärtigen Seite des Verbrennungsgases eine Öffnung aufweist und vorgemischtes Gas in die stromabwärtigen Seite leitet.
  • Der Verbrennungszylinder 36 ist mit einer Innenseite mittels einer Federklammer 52 außen auf den Innenzylinder 34 aufgesetzt und umgibt den Auslassaußenseitenring 50. Der Verbrennungszylinder 36 leitet dann das durch die Pilotdüse 40 und die Hauptdüsen 44 entstandene Verbrennungsgas zu der Turbine 16.
  • Der Auslassaußenseitenring 50 gemäß dieser ersten Ausführungsform erstreckt sich parallel zu der Wandfläche des Verbrennungszylinders 36 und hat eine Zylinderform mit einem in axialer Richtung konstanten Durchmesser. Der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders 36 hat daher auf der stromabwärtigen Seite des Endabschnitts des Auslassaußenseitenrings 50 eine Stufe 54 und ist vergrößert.
  • An dem Verbrennungszylinder 36 ist eine Luftaufnahmeöffnung 56 vorgesehen, die einen Teil der Kompressionsluft aufnimmt. Der von der Luftaufnahmeöffnung 56 aufgenommene Teil der Kompressionsluft strömt durch einen zwischen dem Auslassaußenseitenring 50 und dem Verbrennungszylinder 36 vorgesehenen Luftkanal 58 und wird über eine in der Nähe der Stufe 54 vorgesehene Luftauslassöffnung 60 abgelassen. In dem Luftkanal 58 ist im Übrigen ein Abstandhalter 62 vorgesehen, um den Strömungswegquerschnitt aufrechtzuerhalten.
  • Wie in 3A dargestellt, weist die Luftauslassöffnung 60 ferner eine Neigung zur Mittelachse des Verbrennungszylinders 36 auf. Infolgedessen verkleinert sich der Außendurchmesser des Auslassaußenseitenrings 50 zum Endabschnitt des Auslassaußenseitenrings 50 hin.
  • An dem Verbrennungszylinder 36 ist ferner an der stromabwärtigen Seite der Stufe 54 eine Filmluft-Ausstoßöffnung 64 vorgesehen. Die Filmluft-Ausstoßöffnung 64 stößt einen Teil der zu der Außenseite des Brenners 14 geleiteten Kompressionsluft von der Innenwandfläche 66 als Filmluft aus und führt eine Filmkühlung der Innenwandfläche 66 durch.
  • Ferner ist bei dem Verbrennungszylinder 36 eine Akustikbox 68 (auch als akustische Auskleidung bezeichnet), die einen Resonanzraum bildet, in den in Umfangsrichtung des Verbrennungszylinders 36 mehrere Öffnungen eingebohrt sind, in der Stufe 54 vorgesehen.
  • Als nächstes wird der Prozess der Verbrennung bei dem wie vorstehend aufgebauten Brenner 14 erläutert.
  • Zunächst strömt Kompressionsluft, die in dem Kompressor 12 komprimiert wurde, in den Verbrennungszylinder 36 ein und strömt in Pfeilrichtung A von der stromaufwärtigen Seite zu derr stromabwärtigen Seite des Pilotbrenners 30 und der Hauptbrenner 32.
  • In dem Pilotbrenner 30 werden die Kompressionsluft, der durch den Pilotwirbel 46 eine Drallströmung erteilt wurde, und der von der Pilotdüse 40 eingespritzte Pilotbrennstoff gemischt und bilden ein vorgemischtes Gas. Das vorgemischte Gas wird von dem Pilotkegel 42 zum Verbrennungsbereich hin ausgespritzt, durch eine nicht dargestellte Zündflamme entzündet, und es wird eine Verbrennung im Inneren und stromab des Pilotkegels 42 durchgeführt.
  • Andererseits werden in den Hauptbrennern 32 die Kompressionsluft, der während sie an der Hauptdüse 44 entlang strömt durch die Hauptverwirbelungsflügel 48 eine Drallströmung erteilt wurde, und der von den Hauptverwirbelungsflügeln 48 ausgestoßene Hauptbrennstoff gemischt und bilden ein vorgemischtes Gas. Das vorgemischte Gas wird von den Hauptbrennern 32 zum Verbrennungsbereich hin ausgespritzt, entzündet sich durch den Kontakt mit dem von dem Pilotkegel 42 ausgestoßenen und brennenden vorgemischten Verbrennungsgas (Flamme) und verbrennt.
  • Durch den Expansionsdruck des Brenngases des auf diese Art und Weise verbrennenden vorgemischten Gases, wird die Turbine 16 der Gasturbine 10 angetrieben und die Antriebskraft kann als Leistung abgenommen werden. Gleichzeitig wird der Kompressor 12 angetrieben, der koaxial mit der Hauptachse der Turbine 16 vorgesehen ist, um dem Brenner 14 Kompressionsluft zuzuführen.
  • Das Verbrennungsgas zirkuliert, wie in 2 dargestellt, in dem Verbrennungsbereich wie bei Pfeil B von der stromabwärtigen Seite zu der stromaufwärtigen Seite hin (Rückführungsstrom). Der Rückführungsstrom ist zwar für eine stabile Verbrennung des Verbrennungsgases bevorzugt, da sich aber die Verweildauer des Verbrennungsgases verlängert, ist es zur Reduktion der Entstehungsmenge an NOx bevorzugt, wenn er kurz ist.
  • Dem vorgemischten Gas aus dem Hauptbrennstoff und Luft wird zum Mischen und für die Flammenstabilität eine Drallströmung erteilt. Daher hat das vorgemischte Gas wie bei Pfeil C von 2 die Tendenz, auf Seiten der Innenwandfläche des Verbrennungszylinders 36 zu strömen und zu verbrennen, was nicht wünschenswert ist, da dadurch die Temperatur der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 steigt.
  • Bei dem Brenner 14 gemäß dieser ersten Ausführungsform hat der Auslassaußenseitenring 50 daher nicht die herkömmliche Konusform, sondern ist in einer zur Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 parallelen Form gebildet. Dadurch kann der Brenner 14 vorgemischtes Gas in Innenumfangsrichtung des Verbrennungszylinders 36 zuführen.
  • Das heißt, bei dem Brenner 14 gemäß dieser ersten Ausführungsform kann der Bereich der Verbrennung von einem Bereich einer geringen Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 zu einem von der Innenwandfläche 66 entfernten Bereich einer hohen Strömungsgeschwindigkeit verlagert werden. Dadurch lässt sich das vorgemischte Gas leichter zur stromabwärtigen Seite hin verlagern, sodass der Verbrennungsbereich gegenüber der herkömmlichen Stelle weiter zur stromabwärtigen Seite hin verlagert wird. Infolgedessen verlagert sich der Erwärmungs- und Hochtemperaturbereich aufgrund des Verbrennens im Vergleich zu früher insgesamt zur stromabwärtigen Seite hin, sodass sich die Hochtemperatur-Verweildauer des Verbrennungsgases verkürzt. Außerdem wird die Mischungsdistanz bis zur Verbrennung länger, wodurch die Konzentration des Brennstoffs gleichmäßig wird, sodass die maximale Flammentemperatur sinkt. Dadurch nimmt die Entstehungsmenge an NOx ab.
  • Da ferner das vorgemischte Gas durch den Auslassaußenseitenring 50 zur Innenumfangsrichtung des Verbrennungszylinders 36 zugeführt wird, verkleinert sich auch die Größe des Hochtemperatur-Rückführungsstroms (Pfeil B), der sich in der Nähe der Mittelachse des Verbrennungszylinders 36 bildet. Infolgedessen reduziert sich die Entstehungsmenge an NOx, das im Rückführungsbereich entsteht.
  • Außerdem wird der Rückführungsstrom durch den Auslassaußenseitenring 50 weiter zur Innenseite des Verbrennungszylinders 36 hin gezwungen (konzentriert). Dadurch wird die Strömung auf der Außenumfangsseite des Rückführungsstroms beschleunigt und der Geschwindigkeitsgradient in radialer Richtung des Rückführungsstrombereichs und an dessen Außenumfangsseite vergrößert sich. Infolgedessen wird die Gleichmäßigkeit des vorgemischten Gases an der Außenumfangsseite bis zur Verbrennung weiter gefördert, die maximale Flammentemperatur des Verbrennungsgases sinkt und die Entstehungsmenge an NOx nimmt ab.
  • Infolge der Verlagerung des Verbrennungsbereichs zur stromabwärtigen Seite , verlagert sich der Erwärmungs- und Hochtemperaturbereich an der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 im Vergleich zu früher zur stromabwärtigen Seite hin, sodass sich der Bereich an der Innenwandfläche 66, an dem die Temperatur steigt, reduziert. Dadurch kann die Luftmenge zur Kühlung der Innenwandfläche 66 reduziert werden, so dass die Luftmenge für die Verbrennung zunehmen kann. Infolgedessen sinkt die Flammentemperatur und die Entstehungsmenge an NOx sinkt.
  • Wie vorstehend beschrieben, verkleinert sich außerdem der Außendurchmesser des Auslassaußenseitenrings 50 zum Endabschnitt des Auslassaußenseitenrings 50 hin.
  • 3B zeigt die nicht verkleinerte Form des Außendurchmessers des Auslassaußenseitenrings 50. Wie in 3B dargestellt, tritt bei der Form mit einem nicht verkleinerten Außendurchmesser, die Flammenhaltung in der Nähe des Endabschnitts des Auslassaußenseitenrings 50 (gestrichelter Bereich in 3B) auf, sodass der Auslassaußenseitenring 50 beschädigt werden kann.
  • Dadurch, dass der Außendurchmesser des Auslassaußenseitenrings 50 verkleinert wird, kann andererseits verhindert werden, dass am Endabschnitt eine Flammenhaltung auftritt und der Auslassaußenseitenring 50 beschädigt wird.
  • Der Brenner 14 gemäß dieser ersten Ausführungsform weist, wie vorstehend ausgeführt, ferner eine Stufe 54 auf. Es besteht daher die Möglichkeit einer Rückzündung der Verbrennungsflamme in der Nähe der Stufe 54. Dadurch, dass bei dem Brenner 14 gemäß dieser ersten Ausführungsform, aus einem Luftkanal 58, der in dem Zwischenraum zwischen dem Auslassaußenseitenring 50 und dem Verbrennungszylinder 36 vorgesehen ist, in die Nähe der Stufe 54 Luft ausgestoßen wird, wird zwangsweise in der Nähe der Stufe 54 eine Strömung gebildet und eine Rückzündung unterdrückt.
  • Die Dicke des Auslassaußenseitenrings 50 ist außerdem im Vergleich zu früher geringer (vgl. den herkömmlichen Auslassaußenseitenring 102 von 10). Dadurch ist eine Konvektionskühlung durch die in dem Luftkanal 58 strömende Luft einfach. Auf diese Art und Weise kann durch die Konvektionskühlung des Auslassaußenseitenrings 50 die Temperatur des Auslassaußenseitenrings 50 weiter gesenkt und eine Rückzündung in der Nähe des Auslassaußenseitenrings 50 unterdrückt werden.
  • Die aus der Filmluft-Ausstoßöffnung 64 ausgestoßene Luft bildet entlang der Innenumfangswandfläche des Verbrennungszylinders 36 eine dünne Luftschicht, durch die der Verbrennungszylinder 36 gekühlt und ein Ausbrennen der Wandfläche verhindert wird.
  • Dadurch, dass die Akustikbox 68 einen Teil der Kompressionsluft aufnimmt und zu der Stufe 54 ausstößt, wird die Stufe 54 des Verbrennungszylinders 36 gekühlt, und durch das Bewirken der akustischen Dämpfung wird eine Druckänderung im Verbrennungsbereich unterdrückt. Da ferner bei dem Brenner 14 die Akustikbox 68 innerhalb der Stufe 54 vorgesehen ist, kann ein freier Bereich effektiv genutzt werden und es ist nicht mehr erforderlich, die Akustikbox 68 außen auf dem Verbrennungszylinder 36 vorzusehen.
  • Da ferner die Luftauslassöffnung 60, die Akustikbox 68 und die Filmluft-Ausstoßöffnung 64 Luft in die Nähe der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 zuführen, verringert sich die Konzentration des Brennstoffs um das vorgemischte Gas herum und die Verbrennungstemperatur an der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 nimmt ab.
  • 4 ist ein abgewandeltes Beispiel des Brenners 14 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Bei dem Auslassaußenseitenring 50, den der in 4 dargestellte Brenner 14 aufweist, ist der Innendurchmesser zur stromabwärtigen Seite der Strömung des vorgemischten Gases hin klein gebildet. Da der in 4 dargestellten Auslassaußenseitenring 50 auf der stromabwärtigen Seite der Position, an der die Hauptbrenner 32 und der Pilotbrenner 30 vorgesehen sind, eine Stufe aufweist, ist der Innendurchmesser des Auslassaußenseitenrings 50 verringert. Es besteht jedoch keine Beschränkung hierauf. Es ist auch möglich, dass der Innendurchmesser des Auslassaußenseitenrings 50 umgekehrt konisch ist, sodass der Innendurchmesser allmählich kleiner wird.
  • Der Luftkanal 58 kann der passierenden Luft auch ein Drallelement erteilen.
  • Konkreter gesagt kann dadurch, dass die Form des Abstandhalters 62, der an dem Luftkanal 58 vorgesehen ist, in Form einer Leitschaufel (eines Leitflügels) gebildet wird, der passierenden Luft eine Drallkomponente erteilt werden.
  • Zum Beispiel wird der den Luftkanal 58 passierenden Luft eine Drallkomponente in Durchlassrichtung zu der Drallrichtung des vorgemischten Gases des Hauptbrennstoffs erteilt. Dadurch erhöht sich die Wirkung der Filmkühlung aufgrund der den Luftkanal 58 passierenden Luft, sodass die Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 besser gekühlt wird. Andererseits werden dadurch, dass der den Luftkanal 58 passierenden Luft eine Drallkomponente in zu der Drallrichtung des vorgemischten Gases der Hauptverbrennung entgegengesetzter Richtung erteilt wird, die Drallkomponente geschwächt und verhindert, dass die Verbrennungsflamme die Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 erreicht.
  • Wie vorstehend erläutert, weist der Brenner 14 gemäß dieser ersten Ausführungsform eine Pilotdüse 40, mehrere in Umfangsrichtung der Außenumfangsseite der Pilotdüse 40 beanstandet angeordnete Hauptdüsen 44, die eine Vormischungsverbrennung durchführen, einen Innenzylinder 34, der die Pilotdüse 40 und die jeweiligen Hauptdüsen 44 umgibt, einen an dem Vorderende des Innenzylinders 34 vorgesehenen Auslassaußenseitenring 50, einen Verbrennungszylinder 36, dessen Innenseite außen auf dem Innenzylinder 34 aufsitzt und der den Auslassaußenseitenring 50 umgibt, auf. Ferner ist der Auslassaußenseitenring 50 so gebildet, dass er parallel zur Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 ist.
  • Folglich wird bei dem Brenner 14 gemäß dieser ersten Ausführungsform, eine Verbrennung des vorgemischten Gases auf der stromaufwärtigen Seite in der Nähe der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 unterdrückt und die Größe des Hochtemperatur-Rückführungsstroms, der in der Nähe der Mittelachse des Verbrennungszylinders 36 gebildet wird, wird verkleinert, so dass eine Verbrennungsflamme realisiert werden kann, bei der die Entstehungsmenge an NOx reduziert ist.
  • Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 5 zeigt den Aufbau des Brenners 14 gemäß dieser zweiten Ausführungsform. In 5 werden gleiche Bauelemente wie in 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 2 und deren Erläuterung wird ausgelassen.
  • Der Verbrennungszylinder 36, den der Brenner 14 gemäß der zweiten Ausführungsform aufweist, hat von dem Bereich, in dem er auf dem Außenumfang des Innenzylinders 34 aufsitzt bis zum Verbrennungsbereich einen konstanten Innendurchmesser.
  • Im Hinblick auf den Brenner 14 gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Aufbau des Verbrennungszylinders 36 vereinfacht, sodass die Bearbeitbarkeit des Brenners 14 verbessert wird und die Kosten gesenkt werden.
  • 6 zeigt den Aufbau des Brenners 14 gemäß einem abgewandelten Beispiel dieser zweiten Ausführungsform (die nicht gemäß der Erfindung ist aber zur Erläuterung von Merkmalen der Erfindung dient).
  • Im Hinblick auf den in 6 dargestellten Brenner 14 ist am stromabwärtigen Endabschnitt des Luftkanals 58 ein vertikaler Ring 70 vorgesehen, bei dem es sich um ein Begrenzungsteil handelt, das die durch den Luftkanal 58 strömende Luftmenge begrenzt. Der vertikale Ring 70 hat eine runde Form und ist so angeordnet, dass der Ausgang des Luftkanals 58 verschlossen wird. An dem vertikalen Ring 70 ist eine Luftauslassöffnung 60A zum Auslassen von Luft zur Kühlung der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 vorgesehen.
  • Im Hinblick auf den in 6 dargestellten Brenner 14 kann durch das Vorsehen des vertikalen Rings 70 die in dem Luftkanal 58 strömende Luftmenge gesteuert werden. Außerdem kann eine Rückzündung der Verbrennungsflamme zur stromaufwärtigen Seite des Luftkanals 58 hin verhindert werden.
  • In der Nähe des Endabschnitts des Auslassaußenseitenrings 50 kann auch eine Luftauslassöffnung 60B zum Auslassen von Luft aus dem Luftkanal 58 vorgesehen werden. Durch die aus der Luftauslassöffnung 60B ausgelassene Luft kann der Endabschnitt des Auslassaußenseitenrings 50 gekühlt werden.
  • 7 zeigt den Aufbau des Brenners 14 gemäß einem weiteren abgewandelten Beispiel der zweiten Ausführungsform (die nicht gemäß der Erfindung ist aber zur Erläuterung von Merkmalen der Erfindung dient).
  • Bei dem in 7 dargestellten Brenner 14 wird an dem vertikalen Ring 70 eine Akustikbox 68 vorgesehen, die gleichzeitig als Luftauslassöffnung 60A fungiert. Dadurch kann bei dem Brenner 14 ein freier Bereich effektiv genutzt werden und es besteht keine Notwendigkeit mehr, eine Akustikbox 68 außen auf dem Verbrennungszylinder 36 vorzusehen.
  • Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 8 zeigt den Aufbau des Brenners 14 gemäß dieser dritten Ausführungsform. In 8 werden gleiche Bauelemente wie in 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 2 und deren Erläuterung wird ausgelassen.
  • Bei dem Verbrennungszylinder 36, den der Brenner 14 gemäß der dritten Ausführungsform aufweist, wird der Innendurchmesser auf der stromabwärtigen Seite allmählich größer als am Endabschnitt des Auslassaußenseitenrings 50. Das heißt, der Verbrennungszylinder 36 hat auf der stromabwärtigen Seite des Endabschnitts des Auslassaußenseitenrings 50 eine Kegelform (Konusform).
  • In dem Bereich, in dem der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders 36 größer wird, sind eine Filmluft-Ausstoßöffnung 64 und die Akustikbox 68 vorgesehen. Bei dieser dritten Ausführungsform nimmt die Akustikbox 68 Kompressionsluft auf und weist mehrere Ausstoßöffnungen zum Auslassen der Kompressionsluft auf, sodass sie gleichzeitig die Filmluft-Ausstoßöffnung 64 bildet. Die in 8 dargestellte Form der Akustikbox 68 ist im Übrigen ein Beispiel und nicht hierauf begrenzt.
  • Bei dem Brenner 14 gemäß dieser dritten Ausführungsform kann der Bereich einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 beseitigt werden. Dadurch kann die Verbrennung zu einer von der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 entfernten Stelle einer hohen Strömungsgeschwindigkeit verlagert werden, sodass der Verbrennungsbereich gegenüber der herkömmlichen Position zur stromabwärtigen Seite hin verlagert wird. Infolgedessen entsteht dadurch, dass der Erwärmungs- und Hochtemperaturbereich aufgrund der Verbrennung zur stromabwärtigen Seite hin verlagert wird, eine Verkürzung der Hochtemperatur-Verweildauer des Verbrennungsgases und eine Senkung der maximalen Flammentemperatur aufgrund der länger werdenden Mischungsdistanz bis zur Verbrennung, sodass die Entstehungsmenge an NOx abnimmt.
  • Im Hinblick auf den Neigungswinkel gegenüber der Mittelachse des größer werdenden Innendurchmessers des Verbrennungszylinders 36 ist ein Winkel im Bereich von z. B. 7 bis 45° bevorzugt, bei dem die Luft nicht von der Innenwandfläche 66 des Verbrennungszylinders 36 wegströmt. Das heißt, wie in 8 dargestellt, ist das Verhältnis zwischen der Länge L der Axialrichtung und der Vorstehlänge H: L = 1 bis 8 H.
  • Ist zum Beispiel wie bei L = 8H die Axiallänge L größer, kann eine Rückzündung besser unterdrückt werden, sodass die Luft für die Kühlung, z. B. die Filmluft, reduziert werden kann.
  • Im Folgenden wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 9 zeigt den Aufbau des Brenners 14 gemäß dieser vierten Ausführungsform. In 9 werden gleiche Bauelemente wie in 8 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 2 und deren Erläuterung wird ausgelassen.
  • Das Vorderende der Pilotdüse 40, die der Brenner 14 gemäß dieser vierten Ausführungsform aufweist, ist in der Nähe des Endabschnitts des Pilotkegels 42 positioniert.
  • Bei dem Brenner 14 gemäß dieser vierten Ausführungsform, sind auch die Pilotverwirbelungsflügel 46 in der Nähe des Endabschnitts des Pilotkegels 42 positioniert, und zwischen der Pilotdüse 40 und den Pilotverwirbelungsflügeln 46 ist eine Ausstoßöffnung 80 für Kompressionsluft vorgesehen. Durch die aus der Ausstoßöffnung 80 für Kompressionsluft ausgelassene Luft erfolgt eine Kühlung zwischen den Pilotverwirbelungsflügeln 46 und der Pilotdüse 40.
  • Bei dem Brenner 14 gemäß dieser vierten Ausführungsform wird die bei dem herkömmlichen Aufbau entstehende Stufe (der Einbuchtungsbereich) zwischen dem Endabschnitt des Pilotkegels 42 und dem Vorderende der Pilotdüse 40 kleiner, und außerdem ist im Vergleich zu früher die Pilotdüse 40 weiter zur stromabwärtigen Seite hin angeordnet.
  • Dadurch wird bei dem Brenner 14 gemäß dieser vierten Ausführungsform der Bereich einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, der durch die Rückführung des vorgemischten Gases aus dem Pilotbrennstoff und der Kompressionsluft verursacht wird, verkleinert, sodass die Entstehung von NOx aufgrund des Rückführungsstroms unterdrückt wird. Da sich die Basis, wo die Pilot-Flammenhaltung auftritt, zur stromabwärtigen Seite hin verlagert, verlagert sich die Verbrennungsflamme zur stromabwärtigen Seite und die Entstehungsmenge an NOx nimmt ab.
  • Bei der vierten Ausführungsform wurde eine Form erläutert, bei der die vorliegende Erfindung auf den Brenner 14 gemäß der dritten Ausführungsform angewandt wird. Es besteht jedoch keine Begrenzung hierauf. Eine Anwendung auf die erste Ausführungsform oder die zweite Ausführungsform ist ebenfalls möglich.
  • Erläuterung der Bezugszeichen
    • 10
    Gasturbine
    12
    Kompressor
    14
    Brenner
    16
    Turbine
    34
    Innenzylinder
    36
    Verbrennungszylinder
    40
    Pilotdüse
    44
    Hauptdüse
    50
    Auslassaußenseitenring
    54
    Stufe
    58
    Luftkanal
    64
    Filmluft-Ausstoßöffnung
    68
    Akustikbox

Claims (11)

  1. Brenner (14), aufweisend eine Pilotdüse (40), mehrere in Umfangsrichtung auf einer Außenumfangsseite der Pilotdüse (40) beabstandet angeordnete Hauptdüsen (44), die dazu ausgestaltet sind, eine Vormischungsverbrennung durchzuführen, einen Innenzylinder (34), der die Pilotdüse (40) und die Hauptdüsen (44) umgibt, ein Ringteil (50), das eine sich entlang einer Axialrichtung, in der im Betrieb des Brenners (14) ein Brennstoff-Luft-Gemisch strömt, erstreckende zylindrische Form mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser aufweist und das an einem Vorderende des Innenzylinders (34) vorgesehen ist, und einen Verbrennungszylinder (36), bei dem eine Innenfläche außen auf den Innenzylinder (34) aufgesetzt ist und der das Ringteil (50) umgibt, wobei sich das Ringteil (50) parallel zu einer Innenwandfläche (66) des Verbrennungszylinders (36) in der Axialrichtung erstreckt, wobei das Ringteil (50) so ausgebildet ist, dass dessen Innendurchmesser in der Axialrichtung konstant ist oder kleiner wird, und wobei das Ringteil (50) so ausgebildet ist, dass dessen Außendurchmesser in der Axialrichtung zu einem Endabschnitt des Ringteils (50) hin kleiner wird.
  2. Brenner (14) gemäß Anspruch 1, wobei der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders (36) auf der stromabwärtigen Seite des Endabschnitts des Ringteils (50) eine Stufe (54) aufweisend breiter wird, und wobei ein Luftkanal (58), der in einem Zwischenraum zwischen dem Ringteil (50) und dem Verbrennungszylinder (36) vorgesehen ist, dazu ausgestaltet ist, Luft in die Nähe der Stufe (54) auszustoßen.
  3. Brenner (14) gemäß Anspruch 2, wobei der Luftkanal (58) mit einer Luftauslassöffnung (60) versehen ist, durch die die Luft in die Nähe der Stufe (54) ausgestoßen wird, wobei die Luftauslassöffnung (60) eine Neigung zu einer Mittelachse des Verbrennungszylinders (36) aufweist.
  4. Brenner (14) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei eine Ausstoßöffnung (64) zum Ausstoßen von Luft aus der Innenwandfläche (66) des Verbrennungszylinders (36) auf der stromabwärtigen Seite der Stufe (54) des Verbrennungszylinders (36) vorgesehen ist.
  5. Brenner (14) gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, wobei eine Akustikbox (68), wo ein Resonanzraum gebildet ist, in den mehrere Öffnungen in Umfangsrichtung des Verbrennungszylinders (36) gebohrt sind, innerhalb der Stufe (54) des Verbrennungszylinders (36) vorgesehen ist.
  6. Brenner (14) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Luftkanal (58) dazu ausgestaltet ist, der passierenden Luft eine Drallkomponente zu erteilen.
  7. Brenner (14) gemäß Anspruch 1, wobei bei dem Verbrennungszylinder (36) der Innendurchmesser auf der stromabwärtigen Seite des Endabschnitts des Ringteils (50) allmählich größer wird.
  8. Brenner (14) gemäß Anspruch 7, wobei in dem Bereich, in dem der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders (36) größer wird, eine Ausstoßöffnung (64) zum Ausstoßen von Luft zur Innenwandfläche (66) des Verbrennungszylinders (36) vorgesehen ist.
  9. Brenner (14) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei im Inneren des Bereichs, in dem der Innendurchmesser des Verbrennungszylinders (36) größer wird, eine Akustikbox (68), wo ein Resonanzraum gebildet ist, in den mehrere Öffnungen in Umfangsrichtung des Verbrennungszylinders (36) gebohrt sind, vorgesehen ist.
  10. Brenner (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Pilotkegel (42), der eine Umgebung eines Vorderendes der Pilotdüse (40) bedeckt, vorgesehen ist, und das Vorderende der Pilotdüse (40) in der Nähe eines Endabschnitts des Pilotkegels (42) positioniert ist.
  11. Gasturbine (10), aufweisend einen Kompressor (12), der dazu ausgestaltet ist, Luft zu komprimieren und Kompressionsluft zu erzeugen, einen Brenner (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, der dazu ausgestaltet ist, in die von dem Kompressor (12) eingeführte Kompressionsluft Brennstoff einzuspritzen, sodass Verbrennungsgas entsteht, und eine Turbine (16), die dazu ausgestaltet ist, durch das Verbrennungsgas, das durch den Brenner (14) entsteht, drehangetrieben zu werden.
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