DE112015001352B4

DE112015001352B4 - Düse, Brenner, Brennkammer, Gasturbine und Gasturbinensystem

Info

Publication number: DE112015001352B4
Application number: DE112015001352.0T
Authority: DE
Inventors: Kei Inoue; Satoshi Takiguchi; Shinji Akamatsu; Kenta Taniguchi; Naoki Abe
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: CN105980777A; KR20160108496A; US11242993B2; KR101974705B1; JP6191918B2; DE112015001352T5; CN105980777B; US20170130962A1; WO2015141561A1; JP2015183892A

Abstract

Eine Düse (25;25B) für eine Brennkammer (10), wobei die Düse (25;25B) konfiguriert ist, um Kraftstoff auszustoßen, und wobei die Düse (25;25B) umfasst:eine Kreiskegelform, deren Außendurchmesser sich in Richtung einer Spitze (25s) der Kreiskegelform allmählich verringert,eine einzelne Luftdüsenöffnung (51), die konfiguriert ist, um Luft von der Spitze (25s) auszustoßen, undeine Vielzahl von Strömungswegöffnungen (50), die sich in einer Axialrichtung der Düse (25;25B) erstrecken und in einem Zusammenführungsabschnitt (54) in der Düse (25;25B) zu einer vereinigt sind, um mit der einzelnen Luftdüsenöffnung (51) zu kommunizieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine für eine Brennkammer verwendete Düse, einen Brenner, eine Brennkammer, eine Gasturbine und ein Gasturbinensystem.
In einer Brennkammer einer Gasturbine war ein Vormischtyp-Verbrennungsverfahren weit verbreitet. Das Vormischtyp-Verbrennungsverfahren mischt Kraftstoff mit Druckluft (Verbrennungsluft), die von einem Kompressor eingespeist wird, vor, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen und verursacht, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird (zum Beispiel, siehe JP 2000-46 333 A , JP 3 139 978 B und JP H08-261 466 A ).
Als diese Art von Brennkammer gibt es eine bekannte Brennkammer, die eine Zünd- oder Pilotdüse aufweist, die auf der Mittelachsenlinie der Brennkammer vorgesehen ist, und eine Mehrzahl von Hauptdüsen, die parallel zu der Pilotdüse angeordnet sind, aufweist.
In einer Gasturbinenbrennkammer kann bei Anwendung eines solchen Vormischtyp-Verbrennungsverfahrens ein Flammenrückschlag auftreten. Ein Flammenrückschlag ist ein Phänomen, bei dem sich die Flamme in eine Richtung, die der Strömungsrichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entgegengesetzt ist, in einen Bereich, in dem die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches gering ist, zurückbewegt.
Die JP 2011-17 334 A offenbart eine Konfiguration, die im stromabwärtigen Endabschnitt eines Drallerzeugers mit einem Fluiddüsenloch, von dem aus ein Fluid, wie Luft, ausgeblasen wird, vorgesehen ist. Der Drallerzeuger ist auf der Außenumfangsseite der Hauptdüse vorgesehen und bewirkt, dass die Druckluft, die vom Kompressor eingespeist wird, verwirbelt wird. Diese Konfiguration reduziert den Bereich, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches gering ist, indem das Fluid vom Fluiddüsenloch mit Hochgeschwindigkeit ausgestoßen wird, und verhindert das Auftreten eines Flammenrückschlags, indem die Kraftstoffkonzentration des stromabwärtigen Endabschnitts reduziert wird.
Aus der DE 10 2011 052 159 A1 insbesondere in Verbindung mit der 6, ist eine Düse für einen Brenner einer Gasturbine bekannt, die eine Kreiszylinder-Außenform besitzt, deren Außendurchmesser im axialen Verlauf im Wesentlichen konstant ist. Eine einzelne Öffnung befindet sich an der dazu senkrechten Stirnfläche. In der 7 ist eine weitere Düse offenbart, die eine Kreiskegelform besitzt, deren Außendurchmesser sich zu einer Spitze hin verkleinert. Mehrere Luftdüsenöffnungen sind von der Spitze in Richtung des Fußes des Kegels zurückversetzt.
Die DE 60215351 T2 offenbart, insbesondere im Zusammenhang mit der 4, eine Brennkammer, die eine insgesamt kegelstumpfförmige Ringkammer bildet, in deren Mitte eine Düse mit einem in Richtung stromabwärts erweiterten Endabschnitt angeordnet ist, an deren Stirnseite sich eine Ausstoßöffnung für Brennstoff befindet und die von mehreren Luftpassagen umgeben ist.
In der Konfiguration, die mit dem Fluiddüsenloch in der Nähe des stromabwärtigen Endabschnittes des Drallerzeugers, wie in der JP 2011-17 334 A beschrieben, vorgesehen ist, kann das Auftreten des Flammenrückschlags allerdings verhindert werden, indem das Fluid in einen begrenzten Abschnitt ausgestoßen wird. Zum Beispiel, ein Präventionseffekt des Auftretens des Flammenrückschlags, indem das Fluid ausgestoßen wird, kann an der Spitze der Hauptdüse nicht erzielt werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit wird beim Abschnitt in der Nähe des Spitzenabschnitts der Hauptdüse gering, da der Abschnitt als ein Wirbelkern der Drallströmung, die vom Drallerzeuger erzeugt wird, dient. Wenn folglich der Flammenrückschlag auftritt, bewegt sich die Flamme zurück in Richtung des Spitzenabschnitts der Hauptdüse.
Wenn sich die Flamme, die sich zurückbewegt, in der Nähe der Düsenspitzen verlangsamt, kann die Düsenspitze verbrannt werden.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Düse, einen Brenner, eine Brennkammer, eine Gasturbine und ein Gasturbinensystem vor, welches den Flammenrückschlag in Richtung des Düsenspitzenabschnitts verhindern kann.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Düse mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 3 für eine Brennkammer, die konfiguriert ist, um Kraftstoff auszustoßen, und einen mit der Düse versehenen Brenner gemäß Patentanspruch 4 bereit. Die Düse ist mit einer Luftdüsenöffnung vorgesehen, die bewirkt, dass Luft von einer Spitze ausgestoßen wird.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Brennkammer gemäß dem Patentanspruch 5 mit dem erfindungsgemäßen Brenner bereit.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Gasturbine gemäß dem Patentanspruch 7 und ein Gasturbinensystem gemäß dem Patentanspruch 8.
Die Verwendung der Düse, des Brenners, der Brennkammer, der Gasturbine und des Gasturbinensystems, die zuvor beschrieben wurden, kann der Flammenrückschlag in Richtung der Düsenspitze verlässlich verhindern.

1 ist eine halbe Querschnittsansicht, die eine Übersichtskonfiguration einer Gasturbine gemäß dieser Ausführungsform darstellt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennkammer gemäß einer ersten Ausführungsform der Gasturbine darstellt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration der Brennkammer darstellt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration einer Hauptdüse der Brennkammer darstellt.
5 ist eine Querschnittsansicht, die senkrecht zu einer Achse der Hauptdüse steht.
6 stellt eine Weiterbildung der Hauptdüse dar.
7 stellt eine Übersichtskonfiguration eines Gasturbinensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform dar.

Eine Düse, ein Brenner, eine Brennkammer, eine Gasturbine und ein Gasturbinensystem gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine halbe Querschnittsansicht, die eine Übersichtskonfiguration einer Gasturbine gemäß dieser Ausführungsform darstellt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine in der Gasturbine vorgesehene Brennkammer darstellt. 3 ist eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration der Brennkammer darstellt.
Wie in 1 dargestellt ist eine Gasturbine 1 in dieser Ausführungsform mit einem Kompressor 2, einer Mehrzahl von Brennkammern 10 und einer Turbine (Turbinenhauptkörper) 3 vorgesehen.
Der Kompressor 2 lässt Luft von einer Lufteinlassöffnung als ein Arbeitsfluid ein und erzeugt Druckluft.
Die Brennkammer 10 ist mit einer Auslassöffnung des Kompressors 2 verbunden. Die Brennkammer 10 stößt Kraftstoff zur Druckluft, die vom Kompressor 2 ausgelassen wird, aus, um zu bewirken, dass ein Verbrennungsgas, das eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweist, erzeugt wird.
Die Turbine 3 wandelt die thermische Energie des Verbrennungsgases, das von der Brennkammer 10 eingespeist wird, in eine Rotationsenergie für einen Rotor 3a um, und bewirkt die Erzeugung einer Antriebskraft. Die Turbine 3 überträgt die erzeugte Antriebskraft zu einem Generator (nicht dargestellt), der mit dem Rotor 3a verbunden ist.
Wie in 2 dargestellt, ist jede Brennkammer 10 mit einem Brennkammer-Hauptkörper 11 und einem Übergangsrohr 30 ausgestattet. Der Brennkammer-Hauptkörper 11 fungiert als eine Verbrennungskammer, die bewirkt, dass der zugeführte Kraftstoff mit der Druckluft A reagiert. Das Übergangsrohr 30 erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases B, das vom Brennkammer-Hauptkörper 11 einströmt, und führt das Verbrennungsgas B der Turbine 3 stromabwärts zu.
Wie in 2 und 3 dargestellt, ist der Brennkammer-Hauptkörper 11 mit einem Innenzylinder 12 und einem Außenzylinder 13 vorgesehen. Der Innenzylinder 12 ist in einer zylindrischen Form gebildet. Der Außenzylinder 13 ist konzentrisch auf der Außenumfangsseite auf einer Endseite in der Mittelachsenrichtung des Innenzylinders 12 vorgesehen. Die Druckluft A, die zwischen dem Außenzylinder 13 und dem Innenzylinder 12 in den Brennkammer-Hauptkörper 11 strömt, wird um 180 ° auf einer Endseite 13a des Außenzylinders 13 gedreht und dem Innenzylinder 12 zugeführt.
Wie in 3 dargestellt ist der Brennkammer-Hauptkörper 11 mit einem Zünd- oder Pilotbrenner 21 und Hauptbrennern (Brenner) 22 im Innenzylinder 12 ausgestattet.
Der Pilotbrenner 21 ist entlang der Mittelachse O des Innenzylinders 12 ausgestattet. Der Pilotbrenner 21 stößt von einem Spitzenabschnitt 21a Kraftstoff, der von der Außenseite zugeführt wird, aus. Der Pilotbrenner 21 erzeugt eine Flamme, indem der ausgestoßene Kraftstoff entzündet wird. Der Pilotbrenner 21 ist mit einem Zünd- oder Pilotkonus 24 ausgestattet. Der Pilotkonus 24 weist eine zylindrische Form auf und umgibt die Außenumfangsseite des Spitzenabschnitts 21a des Pilotbrenners 21. Der Pilotkonus 24 hat einen kegelförmigen konischen Abschnitt 24c, der den Innendurchmesser davon von der Nähe des Spitzenabschnitts 21a des Pilotbrenners 21 in Richtung der Richtung, in der die Flamme erzeugt wird, allmählich erhöht. Der konische Kornabschnitt 24c verbessert die Flammenstabilität, indem der Ausbreitungsbereich und die Richtung der Flamme geregelt wird.
Die Mehrzahl von Hauptbrennern 22 sind im Zylinder 12 vorgesehen. Die Hauptbrenner 22 sind auf der Außenumfangsseite des Pilotbrenners 21 mit Freiräumen dazwischen in einer Umfangsrichtung angeordnet. Jeder Hauptbrenner 22 erstreckt sich entlang der Mittelachse O des Innenzylinders 12.
Eine Hauptdüse (Düse) 25 ist auf dem Spitzenabschnitt des Hauptbrenners 22 vorgesehen. Die Hauptdüse 25 hat eine Kreiskegelform, die den Außendurchmesser davon in Richtung der Spitze 25s allmählich verringert.
Der Hauptbrenner 22 ist mit einem Kegelteil (zylindrisches Teil) 26 auf der Außenumfangsseite der Hauptdüse 25 vorgesehen. Das Kegelteil 26 hat eine zylindrische Form und ist derart vorgesehen, dass die Hauptdüse 25 von der Außenumfangsseite davon umgeben ist. Das Kegelteil 26 wird gebildet, indem bewirkt wird, dass eine Seite 26a, die in der Nähe des Pilotkonus 24 an der mittleren Seite des Innenzylinders 12 liegt, allmählich zur Außenumfangsseite in Richtung der Richtung, in der die Flamme erzeugt wird, geneigt wird. Das Kegelteil 26 bildet einen primären Strömungsweg R1, in dem die Druckluft A zwischen dem Kegelteil 26 und dem Hauptbrenner 22 strömt.
Der Hauptbrenner 22 ist mit einem Hauptdrallerzeuger (Druckverlustabschnitt) 27 im Kegelteil 26 vorgesehen. Der Hauptdrallerzeuger 27 überträgt eine Verwirbelungskraft in die Strömung im primären Strömungsweg R1.
Der Hauptbrenner 22 stößt den Kraftstoff (Hauptkraftstoff) von einer Kraftstoffdüse (nicht dargestellt), die auf der Außenumfangsseite des Hauptbrenners 22, beispielsweise auf dem Hauptdrallerzeuger 27, vorgesehen ist, aus. Die Kraftstoffdüse (nicht dargestellt) kann an einem Abschnitt außer dem Hauptdrallerzeuger 27, beispielsweise an einem Abschnitt vorgesehen sein, der an einer stromabwärtigen Seite von einer Lufteinlassöffnung 52, die später beschrieben wird, auf der Außenumfangsflächenseite des Hauptbrenners 22 liegt. Der Kraftstoff wird mit Druckluft A im Innenzylinder 12 gemischt, um ein Kraftstoff-Luft-Vorgemisch F zu erhalten. Die Drallströmung, die vom Hauptdrallerzeuger 27 erzeugt wird, bewirkt, dass das Kraftstoff-Luft-Vorgemisch F durch den primären Strömungsweg R1 in stromabwärtiger Richtung strömt, während es rund um den Hauptbrenner 22 wirbelt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration der Hauptdüse der Brennkammer darstellt. 5 ist eine Querschnittsansicht, die senkrecht zur Achse der Hauptdüse steht.
Wie in 4 dargestellt, ist die Hauptdüse 25 mit einer Strömungswegöffnung (ein Strömungswegbildungsabschnitt) 50, einer Luftdüsenöffnung (Luftdüsenabschnitt) 51 und Lufteinlassöffnungen (Lufteinlassabschnitt) 52 ausgestattet.
Die Strömungswegöffnung 50 erstreckt sich in der Axialrichtung der Hauptdüse 25. Wie in 4 und 5 dargestellt, werden in dieser Ausführungsform eine Mehrzahl von Strömungswegöffnungen 50 gebildet. Die Strömungswegöffnungen 50 sind mit Freiräumen dazwischen in einer Umfangsrichtung der Hauptdüse 25 angeordnet. Die Strömungswegöffnungen 50 sind konzentrisch zur Hauptdüse 25 angeordnet. Während 5 den Fall darstellt, in dem die Strömungswegöffnungen 50 gebildet werden, können die Strömungswegöffnungen 50 zwei oder mehr sein. Der Strömungswegbildungsabschnitt der vorliegenden Erfindung wird durch die Mehrzahl der Strömungswegöffnungen 50 gebildet.
Wie in 4 dargestellt, wird die Luftdüsenöffnung 51 am Spitzenabschnitt 25s der Hauptdüse 25 geöffnet und gebildet.
Die Mehrzahl von Lufteinlassöffnungen 52 sind auf der Außenumfangsfläche der Hauptdüse 25 gebildet. Jede Lufteinlassöffnung 52 wird gebildet, indem bewirkt wird, dass ein Ende der Strömungswegöffnung 50 auf der Außenumfangsfläche der Hauptdüse 25 geöffnet wird. Jede Lufteinlassöffnung 52 wird an der stromaufwärtigen Seite des Hauptdrallerzeugers 27 auf der Außenumfangsfläche der Hauptdüse 25 geöffnet.
Die Mehrzahl der Strömungswegöffnungen 50 werden in einem Zusammenführungsabschnitt 54 in der Hauptdüse 25 zu einer vereinigt, um mit einer einzelnen Luftdüsenöffnung 51 zu kommunizieren. Auf diese Weise bilden die Strömungswegöffnungen 50 einen Strömungsweg der ausgestoßenen Luft R2, der die Druckluft A leitet, die von der Lufteinlassöffnung 52, die eine stromaufwärtige Seite des Hauptdrallerzeugers 27 zur Luftdüsenöffnung 51 an der Spitze 25s der Hauptdüse 25 ist, eingelassen wird.
Im Hauptbrenner 22, der mit einer solchen Hauptdüse 25 ausgestattet ist, strömt ein Teil der Druckluft A, die durch den primären Strömungsweg R1 strömt, in die Strömungswegöffnung 50 von der Lufteinlassöffnung 52 und wird dann von der Luftdüsenöffnung 51 an der Spitze 25s der Hauptdüse 25 ausgestoßen. Wenn die Druckluft A von der Luftdüsenöffnung 51 ausgestoßen wird, wird die Kraftstoffkonzentration des Kraftstoff-Luft-Vorgemisches F in der Nähe der Spitze 25s der Hauptdüse 25 gesenkt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Vorgemisches F an der Spitze 25s der Hauptdüse 25 wird durch die Druckluft A, die von der Luftdüsenöffnung 51 ausgestoßen wird, erhöht.
Im primären Strömungsweg R1, der zwischen der Hauptdüse 25 und dem Kegelteil 26 gebildet wird, tritt ein Druckverlust des Kraftstoff-Luft-Vorgemisches F, das durch den primären Strömungsweg R1 strömt, aufgrund des Dralls des Kraftstoff-Luft-Vorgemisches F am Hauptdrallerzeugers 27 auf. Die Hauptdüse 25 hat eine Lufteinlassöffnung 52 an der stromaufwärtigen Seite des Hauptdrallerzeugers 27 und sie hat eine Luftdüsenöffnung 51 am Spitzenabschnitt 25s der Hauptdüse 25 an der stromabwärtigen Seite des Hauptdrallerzeugers 27. Folglich wird mit dem Druckverlust am Hauptdrallerzeuger 27 ein Druckunterschied zwischen der Lufteinlassöffnung 52 und der Luftdüsenöffnung 51 bewirkt. Insbesondere ist der Druck auf der Seite der Lufteinlassöffnung 52 größer als der Druck auf der Luftdüsenöffnungs 51-Seite. Der Druckunterschied erzeugt eine Strömung, die von der Lufteinlassöffnung 52 zur Luftdüsenöffnung 51 im Strömungsweg der ausgestoßenen Luft R2, der durch die Strömungswegöffnung 50 gebildet wird, stammt. Auf diese Weise kann Luft von der Lufteinlassöffnung 52, die auf der Außenumfangsfläche der Hauptdüse 25 gebildet ist, entsprechend in den Strömungsweg der ausgestoßenen Luft R2 gebracht werden.
Folglich wird, gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, durch Vorsehen der Luftdüsenöffnung 51 an der Spitze 25s der Hauptdüse 25, die Kraftstoffkonzentration des Kraftstoff-Luft-Vorgemisches F in der Nähe der Spitze 25s der Hauptdüse 25 gesenkt, wenn die Druckluft A von der Luftdüsenöffnung 51 ausgestoßen wird. Dadurch wird es unwahrscheinlich, dass die Flamme an der Spitze 25s der Hauptdüse 25 erzeugt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Vorgemisches F am Spitzenabschnitt 25s der Hauptdüse 25 wird durch die Druckluft A, die von der Luftdüsenöffnung 51 ausgestoßen wird, erhöht. Wenn ein Flammenrückschlag auftritt, ist es folglich unwahrscheinlich, dass sich die Flamme zum Düsenspitzenabschnitt 25s der Hauptdüse 25 zurückbewegt.
Auf diese Weise können der Rückfluss und das Auftreten des Flammenrückschlags in Richtung des Spitzenabschnitts 25s der Hauptdüse 25 verlässlich verhindert werden. Folglich kann das Ausbrennen der Hauptdüse 25 auch vermieden werden.
Zusätzlich hat die Strömungswegöffnung 50, die mit der Luftdüsenöffnung 51 kommuniziert, die Lufteinlassöffnung 52 an der stromaufwärtigen Seite des Hauptdrallerzeugers 27 und sie hat eine Luftdüsenöffnung 51 am Spitzenabschnitt 25s der Hauptdüse 25 an der stromabwärtigen Seite des Hauptdrallerzeugers 27. Folglich kann mit dem Druckunterschied zwischen der Lufteinlassöffnung 52 und der Luftdüsenöffnung 51, der durch den Druckverlust am Hauptdrallerzeuger 27 bewirkt wird, Luft von der Lufteinlassöffnung 52 entsprechend in den Strömungsweg der ausgestoßenen Luft R2 gebracht werden. Dadurch kann ein Flammenrückschlag verlässlich und wirksam verhindert werden.
Die Hauptdüse 25 hat eine Mehrzahl von Gruppen der Lufteinlassöffnung 52 und der Strömungswegöffnung 50 und diese Gruppen werden im Zusammenführungsabschnitt 54 vereinigt. Dadurch wird bewirkt, dass die Luft, die von der Mehrzahl an Lufteinlassöffnungen 52 aufgenommen wird, durch den Strömungsweg der ausgestoßenen Luft R2, der an der Strömungswegöffnung 50 gebildet wird, strömt, und die Luft wird im Zusammenführungsabschnitt 54 vereinigt. Dann wird die vereinigte Luft von der Luftdüsenöffnung 51 ausgestoßen. Dadurch kann die Menge der Luft, die von der Luftdüsenöffnung 51 ausgestoßen wird, erhöht werden.
Da der Strömungswegbildungsabschnitt ferner eine Mehrzahl von Strömungswegöffnungen 50 konzentrisch bildet, kann der Querschnittsbereich des Strömungswegs einfach vergrößert werden und die Bearbeitbarkeit des Strömungswegbildungsabschnitts kann verbessert werden.
Weiterbildung der ersten Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben wird, ist die Hauptdüse 25 einschließlich, aber nicht ausschließlich, mit der Mehrzahl von Strömungswegöffnungen 50 vorgesehen.
6 stellt eine Weiterbildung der Hauptdüse dar. Wie in 6 dargestellt kann die Strömungswegöffnung 50B derart gebildet werden, dass die Form des Querschnitts davon ringförmig ist. Das kann erhalten werden, indem die Hauptdüse 25 als eine Doppelrohrstruktur konfiguriert wird.
Eine solche Konfiguration ermöglicht, dass der Querschnittsbereich des Strömungswegs einfach vergrößert wird, um eine ausreichende Größe des Querschnittsbereichs verglichen mit dem Fall, in dem die Mehrzahl von Strömungswegöffnungen 50 gemeinsam vorgesehen sind, sicherzustellen. Dadurch kann die Menge der Luft, die von der Luftdüsenöffnung 51 ausgestoßen wird, erhöht werden.
Zweite Ausführungsform
Ein Gasturbinensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. In der zweiten Ausführungsform, die nachstehend beschrieben wird, werden dieselben Teile wie in der ersten Ausführungsform unter Verwendung derselben Zeichen beschrieben, wobei überschneidende Beschreibungen ausgelassen werden.
7 stellt eine Übersichtskonfiguration eines Gasturbinensystems gemäß der zweiten Ausführungsform dar.
Wie in 7 dargestellt, ist ein Gasturbinensystem 100 in dieser Ausführungsform mit einer Brennkammer 10, einer Turbine 3 (siehe 1), einem Kammerluftversorgungsrohr (Kammerluftversorgungsabschnitt) 60, einem Regelventil 61, einem Erfassungssensor (Erfassungsabschnitt) 62 und einer Steuervorrichtung 63 vorgesehen.
Eine Hauptdüse 25B des Hauptbrenners 22, der auf der Brennkammer 10 vorgesehen ist, ist mit einer Luftdüsenöffnung 51 an einer Spitze 25s vorgesehen. In der Hauptdüse 25B wird eine Strömungswegöffnung 50, die mit der Luftdüsenöffnung 51 kommuniziert, an einem Ende gebildet.
Das Kammerluftversorgungsrohr 60 ist mit dem anderen Ende der Strömungswegöffnung 50 der Hauptdüse 25B verbunden. Das Kammerluftversorgungsrohr 60 liefert die Druckluft A in eine Kammer der Turbine 3 zur Luftdüsenöffnung 51. Die Luft wird dabei von der Luftdüsenöffnung 51 der Hauptdüse 25B ausgestoßen.
Das Regelventil 61 ist am Kammerluftversorgungsrohr 60 vorgesehen. Durch Öffnen/Schließen des Regelventils 61 wird die Versorgung der Druckluft A von der Kammer zur Luftdüsenöffnung 51 im Kammerluftversorgungsrohr 60 gesteuert.
Der Erfassungssensor 62 stellt das Auftreten eines Flammenrückschlags in der Brennkammer 10 fest. Als diese Art von Erfassungssensor 62 können ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein Lichtintensitätssensor und dergleichen, der in der Nähe der Hauptdüse 25B des Hauptbrenners 22 vorgesehen ist, verwendet werden. Der Erfassungssensor 62 erfasst eine Temperatur, einen Druck, eine Lichtintensität und dergleichen in der Nähe der Hauptdüse 25B und gibt die erfassten Daten an die Steuervorrichtung 63 aus.
Die Steuervorrichtung 63 steuert das Öffnen/Schließen des Regelventils 61 basierend auf dem Feststellungsergebnis des Erfassungssensors 62. Die Steuervorrichtung 63 stellt fest, ob ein Flammenrückschlag in der Nähe der Hauptdüse 25B aufgetreten ist oder nicht, indem die Änderung der Parameter, wie beispielsweise eine Temperatur, ein Druck, eine Lichtintensität und dergleichen, die durch den Erfassungssensor 62 festgestellt wird, überwacht werden. Und wenn die Steuervorrichtung 63 feststellt, dass der Flammenrückschlag aufgetreten ist, öffnet die Steuervorrichtung 63 das Regelventil 61.
Wenn das Regelventil 61 geöffnet wird, wird die Druckluft A in die Kammer der Turbine 3 zur Luftdüsenöffnung 51 über das Kammerluftversorgungsrohr 60 geleitet. Das bewirkt, dass die Luft von der Luftdüsenöffnung 51 der Hauptdüse 25B ausgestoßen wird, wodurch ermöglicht wird, den Rückfluss und das Auftreten des Flammenrückschlags in Richtung des Spitzenabschnitts 25s der Hauptdüse 25 verlässlich zu verhindern. Folglich kann das Ausbrennen der Hauptdüse 25 vermieden werden.
Wenn der Betriebszustand der Gasturbine 1 einen vorbestimmten Zustand einnimmt, kann die Steuervorrichtung 63 das Regelventil 61 öffnen, um zu bewirken, dass die Luft von der Luftdüsenöffnung 51 der Hauptdüse 25B ausgestoßen wird.
In Übereinstimmung mit einem derartigen Gasturbinensystem 100 kann die Druckluft A von der Luftdüsenöffnung 51 basierend auf der Steuerung durch die Steuervorrichtung 63 ausgestoßen werden, wenn ein Flammenrückschlag auftritt, wahrscheinlich auftreten wird und dergleichen. Dadurch können der Rückfluss und das Auftreten des Flammenrückschlags in Richtung des Spitzenabschnitts 25s der Hauptdüse 25 verhindert werden.
Diese Art von Steuerung kann die Luft bei Bedarf stoppen, damit sie nicht von der Luftdüsenöffnung 51 ausgestoßen wird.
Andere Weiterbildungen
In den oben beschriebenen Ausführungsformen fungiert der Hauptdrallerzeuger 27 als der Druckverlustabschnitt, aber der Druckverlustabschnitt beschränkt sich nicht auf den Hauptdrallerzeuger 27. Jede Konfiguration ist möglich, solange die Konfiguration einen Druckverlust in der Luft, die durch den Luftströmungsweg strömt, bewirken kann.
Die vorliegende Erfindung kann auf eine Düse, einen Brenner, eine Brennkammer, eine Gasturbine und ein Gasturbinensystem angewendet werden und sie ermöglicht es, den Flammenrückschlag in Richtung der Düsenspitze zu verhindern.
Bezugszeichenliste

1: Gasturbine
2: Kompressor
3: Turbine (Turbinenhauptkörper)
3a: Rotor
10: Brennkammer
11: Brennkammer-Hauptkörper
12: Innenrohr
13: Außenrohr
13a: Endseite
21: Pilotbrenner
21a: Spitzenabschnitt
22: Hauptbrenner (Brenner)
24: Pilotkonus
24c: kegelförmiger Konischer Abschnitt
25, 25B: Hauptdüse (Düse)
25s: Spitze
26: Kegelteil (zylindrisches Teil)
27: Hauptdrallerzeuger (Druckverlustabschnitt)
30: Übergangsrohr
50,: 50B Strömungswegöffnung (Strömungswegbildungsabschnitt)
51: Luftdüsenöffnung (Luftdüsenabschnitt)
52: Lufteinlassöffnung (Lufteinlassabschnitt)
54: Zusammenführungsabschnitt
60: Kammerluftversorgungsrohr (Kammerluftversorgungsabschnitt)
61: Regelventil
62: Erfassungssensor (Erfassungsabschnitt)
63: Steuervorrichtung
100: Gasturbinensystem
A: Druckluft
B: Verbrennungsgas
F: Kraftstoff-Luft-Vorgemisch
O: Mittelachse
R1: Primärer Strömungsweg
R2: Strömungsweg der ausgestoßenen Luft

Claims

Eine Düse (25;25B) für eine Brennkammer (10), wobei die Düse (25;25B) konfiguriert ist, um Kraftstoff auszustoßen, und wobei die Düse (25;25B) umfasst: eine Kreiskegelform, deren Außendurchmesser sich in Richtung einer Spitze (25s) der Kreiskegelform allmählich verringert, eine einzelne Luftdüsenöffnung (51), die konfiguriert ist, um Luft von der Spitze (25s) auszustoßen, und eine Vielzahl von Strömungswegöffnungen (50), die sich in einer Axialrichtung der Düse (25;25B) erstrecken und in einem Zusammenführungsabschnitt (54) in der Düse (25;25B) zu einer vereinigt sind, um mit der einzelnen Luftdüsenöffnung (51) zu kommunizieren.
Die Düse (25;25B) nach Anspruch 1, wobei die Strömungswegöffnungen (50) eine Vielzahl von Strömungswegen (R2) bilden, die konzentrisch angeordnet sind.
Eine Düse (25;25B) für eine Brennkammer (10), wobei die Düse (25;25B) konfiguriert ist, um Kraftstoff auszustoßen, und wobei die Düse (25;25B) umfasst: eine Kreiskegelform, deren Außendurchmesser sich in Richtung einer Spitze (25s) der Kreiskegelform allmählich verringert, eine einzelne Luftdüsenöffnung (51), die konfiguriert ist, um Luft von der Spitze (25s) auszustoßen, und eine Strömungswegöffnung (50B), die sich in einer Axialrichtung der Düse (25;25B) erstreckt, einen ringförmigen Querschnitt besitzt und mit der einzelnen Luftdüsenöffnung (51) kommuniziert.
Ein Brenner (22), der eine Düse (25;25B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 an einem Spitzenabschnitt des Brenners (22) aufweist.
Eine Brennkammer (10), umfassend: einen Brenner (22) nach Anspruch 4, ein zylindrisches Teil (26), das die Düse (25;25B) von einer Außenumfangsseite davon abdeckt und einen Luftströmungsweg (R1) zwischen dem zylindrischen Teil (26) und der Düse (25;25B) bildet; und einen Hauptdrallerzeuger (27), der am Luftströmungsweg (R1) vorgesehen ist, wobei der Hauptdrallerzeuger (27) im Betrieb einen Druckverlust von Luft, die durch den Luftströmungsweg (R1) strömt, bewirkt, wobei die Düse (25;25B) zumindest einen Lufteinlassabschnitt (52) aufweist, der konfiguriert ist, um Luft von einer Außenumfangsfläche, die eine stromaufwärtige Seite des Hauptdrallerzeugers (27) ist, in die eine Strömungswegöffnung (50B) oder die Vielzahl von Strömungswegöffnungen (50) einzulassen, um die Luft, die von dem zumindest einen Lufteinlassabschnitt (52) eingelassen wird, zu der einzelnen Luftdüsenöffnung (51) zu leiten.
Die Brennkammer (10) nach Anspruch 5, wobei: der zumindest eine Lufteinlassabschnitt (52) eine Mehrzahl von Lufteinlassabschnitten (52) umfasst, und die Mehrzahl von Lufteinlassabschnitten (52) auf der Außenumfangsfläche der Düse (25;25B) gebildet sind.
Eine Gasturbine (1), umfassend: eine Brennkammer (22) nach Anspruch 5 oder 6, und einen Turbinenhauptkörper (3), der einen Rotor (3a) umfasst, der konfiguriert ist, um durch von der Brennkammer (22) eingespeistes Verbrennungsgas angetrieben zu werden.
Ein Gasturbinensystem (100), umfassend: eine Brennkammer (22), die eine Düse (25;25B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfasst, einen Turbinenhauptkörper (3), der einen Rotor (3a) umfasst, der konfiguriert ist, um durch von der Brennkammer (22) eingespeistes Verbrennungsgas angetrieben zu werden, einen Kammerluftversorgungsabschnitt (60), der konfiguriert ist, um Luft in eine Kammer des Turbinenhauptkörpers (3) zu der Luftdüsenöffnung (51) zu leiten, ein Regelventil (61), das konfiguriert ist, um die Luftversorgung von der Kammer zu der einzelnen Luftdüsenöffnung (51) im Kammerluftversorgungsabschnitt (60) zu steuern, einen Erfassungsabschnitt (62), der konfiguriert ist, um das Auftreten eines Flammenrückschlags in der Brennkammer (22) festzustellen, und eine Steuervorrichtung (63), die konfiguriert ist, um das Öffnen/Schließen des Regelventils (61) basierend auf einem Feststellungsergebnis des Erfassungsabschnitts (62) zu steuern.