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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer und eine Gasturbine.
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Im Allgemeinen weist eine Gasturbine auf: einen Verdichter, der Umgebungsluft verdichtet, um verdichtete Luft zu erzeugen; eine Brennkammer, welche ein Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas durch Verbrennung von Brennstoff in der verdichteten Luft erzeugt; und eine Turbine, die durch das Verbrennungsgas drehangetrieben wird.
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Um die Effizienz der Gasturbine zu verbessern, ist es notwendig, eine Einlasstemperatur der Turbine zu erhöhen, aber es gibt dabei dahingehend ein Problem, dass NOx exponentiell in Abhängigkeit von dem Temperaturanstieg ansteigt. Als eine Gegenmaßnahme gegen den Anstieg im NOx umfasst beispielsweise eine Brennkammer, die in der Druckschrift
JP 2006 -
336 996 A offenbart wird, einen Brenner, welcher die Bildung eines lokalen Hochtemperaturbereichs durch Bildung einer gleichförmigen Gasmischung mittels einer Wirbelströmung verhindert.
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Der Brenner der Brennkammer weist eine Düse auf, welche ein Schaftkörper ist, der sich entlang einer Brennerachse erstreckt, einen Brennerzylinder, welcher einen Außenumfang der Düse umgibt und verdichtete Luft und Brennstoff zu einer Stromabwärtsseite ausstößt, und eine Wirbelleitschaufel, um ein Fluid im Brennerzylinder um die Brennerachse zu verwirbeln.
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Die Druckschrift
US 3 283 502 A offenbart eine Brennkammer, umfassend einen Düsenhauptkörper, aufweisend einen Schaftkörper, der sich entlang einer Achse erstreckt und eine Wirbelleitschaufel, die von einer äußeren Umfangsoberfläche des Schaftkörpers in einer Radialrichtung der Achse vorsteht, um ein Fluid um die Achse zu verwirbeln, welches zu einer Stromabwartsseite in einer Axialrichtung strömt; einen ersten Brennstoff-Strömungspfad, welcher Brennstoff zu einem ersten Brennstoff-Einspritzloch, welches im Düsenhauptkörper gebildet ist, liefert; einen zweiten Brennstoff-Strömungspfad, welcher Brennstoff zu einem zweiten Brennstoff-Einspritzloch, welches auf einer radial äußeren Seite des ersten Brennstoff-Einspritzlochs im Düsenhauptkörper gebildet ist, liefert. Des Weiteren offenbart die Druckschrift den Brennstoff durch beide Strömungspfade temperaturabhängig einzustellen.
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Die Druckschrift
US 8 200 410 B2 offenbart ebenfalls eine Brennkammer mit mehreren Brennstoff-Strömungspfaden, die mehrere Brennstoffdüsen mittels einer Steuervorrichtung und Temperatursensoren mit Brennstoff mit einer bestimmten Strömungsrate versorgen, wobei eine Verwirbelung von Brennstoff vorgesehen ist. Es ist bekannt, dass, wenn ein vorgemischtes Gas, dem ein Wirbel aufgegeben wurde, brennt, ein Phänomen, in dem sich Flammen stromaufwärts bewegen (Wirbelkernrückschlag), in einem Zentrum einer Wirbelströmung auftritt. Wenn unnormale Verbrennung, wie z. B. ein Wirbelkernrückschlag auftritt, weil eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Flammen an einer Düse anhaften und eine thermische Zerstörung/Beschädigung an der Düse bewirken, ist es wünschenswert, ein Auftreten einer solchen unnormalen Verbrennung zu verhindern.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer und eine Gasturbine zur Verfügung zu stellen, in denen eine thermische Zerstörung/Beschädigung an der Brennkammer verhindert wird, wenn unnormale Verbrennung auftritt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, weist eine Brennkammer die Merkmale des Patentanspruches 1 auf, umfassend einen Dusenhauptkörper, der einen Schaftkörper hat, der sich entlang einer Achse erstreckt und eine Wirbelleitschaufel, die von einer äußeren Umfangsoberfläche des Schaftkörpers in einer Radialrichtung der Achse vorsteht, um ein Fluid, welches in einer Axialrichtung zur Stromabwärtsseite strömt, um die Achse zu verwirbeln, einen ersten Brennstoff-Strömungspfad, welcher Brennstoff zu einem ersten Brennstoff-Einspritzloch, welches im Düsenhauptkörper gebildet ist, liefert, einen zweiten Brennstoff-Strömungspfad, welcher Brennstoff zu einem zweiten Brennstoff-Einspritzloch, welches auf einer radial äußeren Seite des ersten Brennstoff-Einspritzlochs im Düsenhauptkörper gebildet ist, liefert, ein erstes Regelventil, welches im ersten Brennstoff-Strömungspfad vorgesehen ist und eingerichtet ist, um eine Strömungsrate des Brennstoffs, welcher durch den ersten Brennstoff-Strömungspfad strömt, zu regeln, einen Temperatursensor, welcher eine Temperatur auf einer Stromabwärtsseite der Wirbelleitschaufel ermittelt, und eine Steuerungsvorrichtung, welche das erste Regelventil derart ansteuert, dass die Strömungsrate des Brennstoffs, welcher durch den ersten Brennstoff-Strömungspfad strömt, herabgesetzt wird, wenn eine Temperatur, ermittelt durch den Temperatursensor, eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, auf.
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Gemäß einer solchen Konfiguration, wird, wenn eine unnormale Verbrennung auftritt und eine Temperatur, die durch den Temperatursensor ermittelt wird, die vorbestimmte Bedingung erfüllt, Brennstoff, welcher von dem ersten Brennstoff-Einspritzloch eingespritzt wird, herabgesetzt, um augenblicklich eine Brennstoffkonzentration auf der Stromabwärtsseite des Düsenhauptkörpers herabzusetzen, und hierdurch kann eine thermische Zerstörung/Beschädigung an der Brennkammer verhindert werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Brennkammer der Temperatursensor an einem distalen Ende des Schaftkörpers angeordnet sein.
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Gemäß solch einer Konfiguration ist es möglich, eine thermische Zerstörung/Beschädigung am Düsenhauptkörper zu verhindern, wenn ein Wirbelkernflammenrückschlag auftritt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann in der Brennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung die Steuerungsvorrichtung das erste Regelventil derart steuern, dass die Strömungsrate des Brennstoffs, welcher durch den ersten Brennstoff-Strömungspfad strömt, herabgesetzt wird, wenn die Temperatur, die vom Temperatursensor ermittelt wird, von einem Stationärzustandswert um mehr als eine vorbestimmte Temperatur angestiegen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, weist eine Gasturbine eine Brennkammer gemäß einem der obigen Aspekte, einen Verdichter, der Luft verdichtet, um die verdichtete Luft zur Brennkammer zu liefern, und eine Turbine, die durch ein Verbrennungsgas, welches durch Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer gebildet wurde, angetrieben wird, auf.
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Gemäß solch einer Konfiguration, ist es in einer üblichen Gasturbine, die einen Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur eines Abgases der Turbine hat, möglich, eine thermische Zerstörung/Beschädigung an der Brennkammer zu verhindern, ohne einen zusätzlichen Temperatursensor vorzusehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn eine unnormale Verbrennung auftritt und eine Temperatur, die durch den Temperatursensor ermittelt wird, eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, Brennstoff, der von dem ersten Brennstoff-Einspritzloch eingespritzt wird, herabgesetzt, um unverzüglich eine Brennstoffkonzentration auf der Stromabwärtsseite des Düsenhauptkörpers herabzusetzen, und hierdurch kann eine thermische Zerstörung/Beschädigung an der Brennkammer verhindert werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Gasturbine gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 2 ist eine Querschnittsdarstellung in einer Umgebung einer Brennkammer der Gasturbine gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 ist eine Querschnittsdarstellung der Brennkammer gemäß der ersten beispielhaften Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 ist eine Querschnittsdarstellung eines Brenners gemäß der ersten beispielhaften Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Anordnung einer Gasbrennstoffleitung und eines Brennstofföl-Strömungspfads, gesehen in der Richtung der Pfeile V-V, in 4 zeigt.
- 6 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Steuerung der Brennkammer gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 7 ist eine Querschnittsdarstellung eines Brenners gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 8 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Anordnung einer Gasbrennstoffleitung, gesehen in einer Richtung der Pfeile VIII-VIII, in 7 zeigt.
- 9 ist eine Querschnittsdarstellung eines Brenners gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 10 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Gasturbine gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Erste beispielhafte Ausführungsform
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Eine Gasturbine 1 einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.
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Wie gezeigt in 1, weist die Gasturbine 1 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform einen Verdichter 2 auf, der eine Luft A verdichtet, um verdichtete Luft zu erzeugen, eine Vielzahl von Brennkammern 3, welche ein Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas durch Verbrennung eines Brennstoffs F in der verdichteten Luft erzeugen, und eine Turbine 4, die durch das Verbrennungsgas drehangetrieben wird.
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Der Verdichter 2 weist einen Verdichterrotor 6, welcher um eine Drehachse Ar rotiert, und ein Verdichtergehäuse 7, welches den Verdichterrotor 6 drehbar abdeckt, auf. Die Turbine 4 weist einen Turbinenrotor 8 auf, welcher um die Drehachse Ar rotiert, und ein Turbinengehäuse 9, welches drehbar den Turbinenrotor 8 abdeckt.
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Die Drehachse des Verdichterrotors 6 und die Drehachse des Turbinenrotors 8 sind auf der gleichen geraden Linie angeordnet. Der Verdichterrotor 6 und der Turbinenrotor 8 sind miteinander verbunden und bilden einen Gasturbinenrotor 10. Das Verdichtergehäuse 7 und das Turbinengehäuse 9 sind miteinander verbunden und bilden ein Gasturbinengehäuse 11.
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Mit dem Gasturbinenrotor 10 ist beispielsweise ein Rotor eines Generators GEN verbunden. Die Brennkammern 3 sind am Gasturbinengehäuse 11 befestigt.
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Wie gezeigt in 2, weist jede der Brennkammern 3 eine Brennkammerbüchse 13 (oder Auslaufbüchseauskleidung) auf, welche den Brennstoff F hierin verbrennt und ein Verbrennungsgas, welches als Ergebnis einer Verbrennung des Brennstoffs F erzeugt wurde, zur Turbine 4, und einen Brennstoffausstoßer 14, welcher den Brennstoff F und die Luft A in die Brennkammerbüchse 13 ausstößt. Die Brennkammer 3 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist vom dualen Typ, welche in der Lage ist, eine Ölverbrennung, wie auch eine Gasverbrennung, auszuführen.
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Wie gezeigt in 3, weist der Brennstoffausstoßer 14 einen Pilotbrenner 15, der eine Diffusionsverbrennung des eingespritzten Brennstoffs F ausführt, einen Hauptbrenner 16 (Düsenhauptkörper), welcher eine vorgemischte Verbrennung des eingespritzten Brennstoffs F ausführt, einen Brennerhaltezylinder 17, welcher den Pilotbrenner 15 und den Hauptbrenner 16 hält, und eine Steuerungsvorrichtung 5, auf.
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Der Pilotbrenner 15 weist eine Pilotdüse 19, welche ein Schaftkörper ist, der sich in einer Axialrichtung Da um eine Brennkammerachse Ac erstreckt, einen Pilotbrennerzylinder 18, welcher einen Außenumfang der Pilotdüse 19 abdeckt, und eine Vielzahl von Wirbelleitschaufeln 20, welche die verdichtete Luft A um die Brennkammerachse Ac verwirbeln, auf. Hier wird eine Seite in der Axialrichtung Da, welche eine Richtung ist, in der die Brennkammerachse Ac sich erstreckt, als eine Stromaufwärsseite bezeichnet (eine linke Seite in 3), und die andere Seite wird als eine Stromabwärtsseite bezeichnet (eine rechte Seite in 3). Die Brennkammerachse Ac ist auch eine Brennerachse des Pilotbrenners 15.
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Ein Einspritzloch ist an einem stromabwärtigen Endabschnitt der Pilotdüse 19 ausgebildet. Die Vielzahl von Wirbelleitschaufeln 20 sind auf einer Stromaufwärtsseite einer Stelle, an der das Einspritzloch gebildet ist, vorgesehen. Jede der Wirbelleitschaufeln 20 erstreckt sich in einer Richtung aufweisend eine Radialrichtungskomponente vom Außenumfang der Pilotdüse 19 und ist mit einer inneren Umfangsoberfläche des Pilotbrennerzylinders 18 verbunden.
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Der Pilotbrennerzylinder 18 weist einen Hauptkörperabschnitt 21, der auf dem Außenumfang der Pilotdüse 19 angeordnet ist, und einen Konusabschnitt 22, der mit einer Stromabwärtsseite des Hauptkörperabschnitts 21 verbunden ist und hinsichtlich des Durchmessers zur Stromabwärtsseite graduell vergrößert ist, auf. Die verdichtete Luft A, welche durch den Verdichter 2 verdichtet wurde, strömt in den Pilotbrennerzylinder 18 von einer Stromaufwärtsseite dessen. Der Pilotbrennerzylinder 18 stößt Brennstoff F, welcher von einer Pilotdüse 19 eingespritzt wurde, zusammen mit der verdichteten Luft A von einem stromabwärtigen Ende dessen, aus. Dieser Brennstoff F wird in die Brennkammerbüchse 13 diffundiert und verbrannt.
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Eine Vielzahl von Hauptbrennern 16 sind in einer Umfangsrichtung um die Brennkammerachse Ac angeordnet, um eine äußere Umfangsseite des Pilotbrenners 15 zu umgeben.
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Jeder der Hauptbrenner 16 weist eine Hauptdüse 24, welche ein Schaftkörper ist, der sich entlang einer Brennerachse Ab parallel zur Brennkammerachse Ac erstreckt, einen Hauptbrennerzylinder 25, welcher einen Außenumfang der Hauptdüse 24 abdeckt, und eine Vielzahl von Wirbelleitschaufeln 26, welche die verdichtete Luft A um die Brennerachse Ab verwirbeln, auf.
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Weil die Brennerachse Ab des Hauptbrenners 16 zur Brennkammerachse Ac parallel ist, verlaufen eine Axialrichtung betreffend die Brennkammerachse Ac und eine Axialrichtung betreffend die Brennerachse Ab in der gleichen Richtung. Eine Stromaufwärtsseite in der Axialrichtung betreffend die Brennkammerachse Ac ist die Stromaufwärtsseite in der Axialrichtung betreffend die Brennerachse Ab, und eine Stromabwärtsseite in der Axialrichtung betreffend die Brennkammerachse Ac ist die Stromabwärtsseite in der Axialrichtung betreffend die Brennerachse Ab.
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Ein Brennstofföl-Einspritzloch 23 zum Einspritzen von Brennstofföl ist in der Nachbarschaft eines distalen Endes der Hauptdüse 24 gebildet.
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Die Vielzahl von Wirbelleitschaufeln 26 sind an einem Zwischenabschnitt in der Axialrichtung Da der Hauptdüse 24 vorgesehen. Der Hauptbrennerzylinder 25 weist einen Hauptkörperabschnitt 27, der auf einem Außenumfang der Hauptdüse 24 angeordnet ist, und einen Erstreckungsabschnitt 28, der mit einer Stromabwärtsseite des Hauptkörperabschnitts 27 verbunden ist und sich zur Stromabwärtsseite erstreckt, auf.
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Die Vielzahl von Wirbelleitschaufeln 26 sind mit einer inneren Umfangsoberfläche des Hauptkörperabschnitt 27 der Hauptbrennerzylinder 25 verbunden. Eine Vielzahl von Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38 (siehe 4) zum Einspritzen von Gasbrennstoff sind in der Vielzahl von Wirbelleitschaufeln 26 gebildet. Brennstofföl oder Gasbrennstoff wird in die Hauptdüse 24 geliefert, und der Gasbrennstoff wird von der Hauptdüse 24 zu den Wirbelleitschaufeln 26 geliefert.
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Die verdichtete Luft A, verdichtet durch den Verdichter 2, strömt in den Hauptbrennerzylinder 25 von einer Stromaufwärtsseite dessen. In dem Hauptbrennerzylinder 25 werden die verdichtete Luft A und der Gasbrennstoff, der von den Wirbelleitschaufeln 26 eingespritzt wird, gemischt, um ein vorgemischtes Gas PM zu bilden. Der Hauptbrennerzylinder 25 stößt das vorgemischte Gas PM von einem stromabwärtigen Ende dessen aus. Der Brennstoff F in dem vorgemischten Gas PM wird einer vorgemischten Verbrennung in der Brennkammerbüchse 13 unterworfen.
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Zu der Zeit eines Ölverbrennungsbetriebs wird Brennstofföl zur verdichteten Luft A über das Brennstofföl-Einspritzloch 23 geliefert.
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Der Brennerhaltezylinder17 hat um die Brennkammerachse Ac eine zylindrische Form und deckt eine äußere Umfangsseite der Vielzahl der Hauptbrennerzylinder 25 ab.
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Die Brennkammerbüchse 13 weist einen Verbrennungsabschnitt 31, der um die Brennkammerachse Ac eine zylindrische Form hat und der eine Verbrennungsregion 30 bildet, in der Brennstoff F, der vom Hauptbrenner 16 und dem Pilotbrenner 15 ausgestoßen wird, verbrannt wird, und einen Verbrennungsgasführungsabschnitt 32, der eine zylindrische Form hat, und ein Verbrennungsgas, welches durch Verbrennung des Brennstoffs F in einem Verbrennungsgasströmungspfad der Turbine 4 erzeugt wurde, zu führen, auf. Der Verbrennungsgasführungsabschnitt 32 der Brennkammerbüchse 13 ist auf einer Stromabwärtsseite des Verbrennungsabschnitts 31 der Brennkammerbüchse 13 gebildet.
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Wie gezeigt in 4, steht jede der Wirbelleitschaufeln 26 des Hauptbrenners 16 in einer Radialrichtung von einer äußeren Umfangsoberfläche der Hauptdüse 24 vor und ist mit einer inneren Umfangsoberfläche des Hauptbrennerzylinders 25 verbunden. Die Wirbelleitschaufel 26 ist gebildet, sodass ein Fluid, welches auf der Stromabwärtsseite strömt, um die Brennerachse Ab wirbelt.
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Ein Temperatursensor 33 ist an einem distalen Ende der Hauptdüse 24 vorgesehen. Der Temperatursensor 33 ist mit der Steuerungsvorrichtung 5 verbunden. Das bedeutet, eine Temperatur des distalen Endes der Hauptdüse 24, welche durch den Temperatursensor 33 gemessen wird, wird zur Steuerungsvorrichtung 5 übermittelt.
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Für den Temperatursensor 33 kann beispielsweise ein Temperaturfühler verwendet werden. Der Temperatursensor 33 ist nicht auf einen Temperaturfühler begrenzt, sondern auch andere Temperaturmessmittel können angewandt werden.
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Die Wirbelleitschaufel 26 weist einen düsenseitigen Verbindungsabschnitt 34, der mit der äußeren Umfangsoberfläche der Hauptdüse 24 verbunden ist, und einen Profilabschnitt 36, in dem eine Profiloberfläche 37, welche geschmeidig kontinuierlich ist zum Verwirbeln eines Fluids um die Brennerachse Ab gebildet ist, auf. In der folgenden Beschreibung wird eine Umfangsrichtung um die Brennerachse Ab einfach als eine Umfangsrichtung Dc und eine Radialrichtung Dr zentriert auf der Brennerachse Ab einfach als die Radialrichtung Dr bezeichnet.
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Eine Vielzahl von Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38 zum Einspritzen des Gasbrennstoffs sind in den Wirbelleitschaufeln 26 gebildet. Die Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38 weisen eine Vielzahl von ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38a (erste Brennstoff-Einspritzlöcher), angeordnet auf einer radial inneren Seite, und eine Vielzahl von zweiten Gasbrennstoff-Einspritzlochern 38b (zweite Brennstoff-Einspritzlöcher), angeordnet auf einer radial äußeren Seite der ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38a, auf. Das bedeutet, dass die ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38a näher an der Hauptdüse 24 angeordnet sind als die zweiten Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38b.
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Die Anzahl der zweiten Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38b ist bevorzugt größer als die Anzahl der ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38a. Es ist nicht notwendig, für alle der zweiten Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38b auf der radial äußeren Seite bezüglich der ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38a angeordnet zu sein.
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Der Hauptbrenner 16 weist einen Brennstofföl-Strömungspfad 40, welcher Brennstofföl von dem Brennstoffol-23 der Hauptdüse 24 einspritzt, einen ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41 (erster Brennstoff-Strömungspfad), welcher den Gasbrennstoff von den ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38a der Wirbelleitschaufeln 26 einspritzt, und einen zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfad 42 (zweiter Brennstoff-Strömungspfad), welcher den Gasbrennstoff von den zweiten Gasbrennstoff-Einspritzlochern 38b der Wirbelleitschaufeln 26 einspritzt, auf.
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Ein erstes Regelventil 43, welches eine Strömungsrate des Gasbrennstoffs Gasbrennstoffs F regelt, welcher durch den ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41 strömt, ist im ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41 vorgesehen. Ein zweites Regelventil 44, welches eine Strömungsrate des Gasbrennstoffs regelt, welcher durch den zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfad 42 strömt, ist im zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfad 42 vorgesehen. Das erste Regelventil 43 und das zweite Regelventil 44 können durch die Steuerungsvorrichtung 5 gesteuert werden.
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Die Steuerungsvorrichtung 5 regelt eine Strömungsrate des Gasbrennstoffs unter Verwendung des ersten Regelventils 43 und des zweiten Regelventils 44 auf der Basis einer Temperatur des distalen Endes der Hauptduse 24, welche durch den Temperatursensor 33 gemessen wird.
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Wie gezeigt in 5, ist der Brennstofföl-Strömungspfad 40 im Wesentlichen an einem Zentrum der Hauptdüse 24 gebildet. Die ersten Gasbrennstoff-Strömungspfade 41 und die zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfade 42 sind abwechselnd auf einer radial äußeren Seite des Brennstofföl-Strömungspfads 40 in Intervallen in der Umfangsrichtung gebildet. Eine Anordnung des Brennstofföl-Strömungspfads 40 und der Gasbrennstoff-Strömungspfade 41 und 42 ist nicht hierauf beschränkt.
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Als nächstes wird ein Betrieb und Aktionen der Gasturbine 1 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform beschrieben werden.
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Der Verdichter 2 saugt Umgebungsluft an und verdichtet die angesaugte Luft. Die Luft, die durch den Verdichter 2 verdichtet wurde, wird in den Hauptbrenner 16 und den Pilotbrenner 15 der Brennkammer 3 geleitet. Brennstoff wird zum Hauptbrenner 16 und dem Pilotbrenner 15 von einer Brennstoffversorgungsquelle geliefert. Der Hauptbrenner 16 stößt das vorgemischte Gas PM, in dem Brennstoff und Luft vorgemischt sind, in den Verbrennungsabschnitt 31 der Brennkammerbüchse 13 aus. Das vorgemischte Gas PM wird einer vorgemischten Verbrennung in dem Verbrennungsabschnitt 31 unterworfen. Der Pilotbrenner 15 stößt sowohl Brennstoff F als auch Luft in den Verbrennungsabschnitt 31 der Brennkammerbüchse 13 aus. Dieser Brennstoff F wird einer Diffusionsverbrennung oder vorgemischten Verbrennung in dem Verbrennungsabschnitt 31 unterworfen. Die oben beschriebenen Verbrennungsarten können beliebig durch Auswahl eines Brennstoffausstoßbereichs des Pilotbrenners 15 geändert werden. Ein Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas, erzeugt durch Verbrennung des Brennstoffs F im Verbrennungsabschnitt 31 der Brennkammerbüchse 13, wird in den Verbrennungsgasströmungspfad der Turbine 4 durch den Verbrennungsgasführungsabschnitt 32 der Brennkammerbüchse 13 geleitet, und hierdurch wird der Turbinenrotor 8 gedreht.
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Luft, verdichtet durch den Verdichter 2, wird in den Hauptbrennerzylinder 25 von einem stromaufwärtigen Ende dessen eingeführt. Die Luft wirbelt um die Brennerachse Ab von der Vielzahl von Wirbelleitschaufeln 26 im Hauptbrennerzylinder 25. Gasbrennstoff wird in den Hauptbrennerzylinder 25 von den Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38 der Vielzahl der Wirbelleitschaufeln 26 eingespritzt. Zur Zeit des Ölverbrennungsbetriebes wird Brennstofföl in den Hauptbrennerzylinder 25 vom Brennstofföl-Einspritzloch 23 eingespritzt.
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Der Gasbrennstoff, der von den Wirbelleitschaufeln 26 eingespritzt wird, und die Luft A, die während des Verwirbelns zur Stromabwärtsseite strömt, werden in dem Hauptbrennerzylinder 25 vorgemischt und dann von einem stromabwärtigen Ende des Hauptbrennerzylinders 25 in die Brennkammerbüchse 13 als das vorgemischte Gas PM eingespritzt.
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Das Mischen des Gasbrennstoffs, welcher in den Hauptbrennerzylinder 25 von den Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38 der Vielzahl der Wirbelleitschaufeln 26 eingespritzt wird, und die Luft A wird durch eine Wirbelströmung gefördert, die durch die Vielzahl von Wirbelleitschaufeln 26 gebildet sind. Ein Flammenhalteeffekt der vorgemischten Flammen, die durch die Verbrennung des vorgemischten Gases PM gebildet werden, ist aufgrund dessen verbessert, dass das vorgemischte Gas PM vom Hauptbrennerzylinder 25 in die Brennkammerbüchse 13, während sie wirbelt, ausgestoßen wird.
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Als nächstes wird ein Verfahren zur Steuerung der Brennkammer 3 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform beschrieben werden.
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Das Verfahren der Steuerung der Brennkammer 3 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform weist einen Temperaturerhöhungsbestimmungsschritt S1 des Bestimmens, ob oder ob nicht eine Temperatur am distalen Ende der Hauptdüse 24 um 50°C von einem Stationärzustandswert angestiegen ist, und ein Gasbrennstoffblockierschritt S2 des Blockierens des Gasbrennstoffs, der durch den ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41 strömt, wenn die Temperatur am distalen Ende der Hauptdüse 24 um 50°C vom Stationärzustandswert aus angestiegen ist, auf.
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In dem Temperaturerhöhungsbestimmungsschritt S1 beobachtet die Steuerungsvorrichtung 5 die Temperatur des distalen Endes der Hauptdüse 24, welche durch den Temperatursensor 33 gemessen wird. Die Steuerungsvorrichtung 5 bestimmt ob oder ob nicht die Temperatur am distalen Ende der Hauptdüse 24 um 50°C vom Stationärzustandswert angestiegen ist.
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Wenn die Temperatur des distalen Endes der Hauptdüse 24 niedriger ist als eine Temperatur 50°C oberhalb des Stationärzustandswerts wird deren Betrieb fortgesetzt, ohne das erste Regelventil 43 und das zweite Regelventil 44 zu regeln.
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Der Stationärzustandswert ist ein Temperaturwert im Normalbetrieb der Gasturbine 1 und ist in geeigneter Art und Weise gemäß dem Gebrauch der Gasturbine 1 gesetzt.
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Das Kriterium von 50°C, welches für den Temperaturerhöhungsbestimmungsschritt S1 verwendet wird, kann in geeigneter Art und Weise geändert werden. Das bedeutet, dass im Temperaturerhöhungsbestimmungsschritt S1 bestimmt wird, ob oder ob nicht sich die Temperatur am distalen Ende der Hauptdüse 24, die durch den Temperatursensor 33 gemessen wird, vom Stationärzustandswert um mehr als eine vorbestimmte Temperatur erhöht hat.
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Beispielsweise, wenn das vorgemischte Gas PM, welchem der Wirbel aufgegeben wurde, brennt, können sich die Flammen aufgrund eines Wirbelkernflammenrückschlags stromaufwärts bewegen. Hierdurch, wenn die Temperatur des distalen Endes der Hauptdüse 24 sich auf eine Temperatur gleich oder höher als 50°C oberhalb des Stationärzustandswerts erhöht hat, schreitet der Schritt zum Gasbrennstoffblockierschritt S2 voran.
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Im Gasbrennstoffblockierschritt S2 betreibt die Steuerungsvorrichtung 5 das erste Regelventil 43 derart, dass der Gasbrennstoff, der durch den ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41 strömt, blockiert wird. Hierdurch wird der Gasbrennstoff F nicht von den ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38a eingespritzt. Die Steuerungsvorrichtung 5 blockiert das erste Regelventil 43 und steuert das zweite Regelventil 44 derart, dass eine Strömungsrate des Gasbrennstoffs F, welcher durch den zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfad 42 strömt, erhöht wird. Die Steuerungsvorrichtung 5 betreibt das zweite Regelventil 44 derart, dass eine Gesamtmenge des eingespritzten Gasbrennstoffs F sich nicht vor und nach dem Gasbrennstoffblockierschritt S2 ändert.
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Im Gasbrennstoffblockierschritt S2 kann die Strömungsrate des Gasbrennstoffs F vermindert werden, ohne dass der Gasbrennstoff F, der durch den ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41 strömt, blockiert wird. In diesem Fall besteht keine Notwendigkeit, die Menge des Gasbrennstoffs F, welcher durch den zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfad 42 strömt, nach dem Blockieren des Gasbrennstoffs F, der durch den ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41 strömt, zu erhöhen.
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Wenn der Gasbrennstoff F, der von den ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38a, die auf einer radial inneren Seite angeordnet sind, im Gasbrennstoffblockierschritt S2 blockiert wird, nimmt eine Brennstoffkonzentration um den Wirbelkern des Wirbelkernflammenrückschlags ab.
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Nach dem Blockieren des Gasbrennstoffs F, der durch den ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41 strömt, wenn die Temperatur am distalen Ende der Hauptdüse 24 wieder zum Stationärzustandswert zurückgekehrt ist, betreibt die Steuerungsvorrichtung 5 das erste Regelventil derart, dass der Gasbrennstoff F durch den ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41 strömt.
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Gemäß der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform kann, wenn der Wirbelkernflammenrückschlag auftritt und die Temperatur, die vom Temperatursensor 33 ermittelt wird, eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, der Brennstoff F, der von den ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38a eingespritzt wird, vermindert werden. Im Ergebnis kann die Brennstoffkonzentration um den Wirbelkern des Wirbelkernflammenrückschlags unverzüglich herabgesetzt werden, um eine thermische Zerstörung/Beschädigung an der Hauptdüse 24 zu vermeiden.
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In der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform sind die Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38 zum Einspritzen des Gasbrennstoffs F in den Wirbelleitschaufeln 26 gebildet und der Gasbrennstoff F wird in den Hauptbrennerzylinder 25 von den Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38 eingespritzt. Jedoch kann anstelle des Bildens der Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38 in den Wirbelleitschaufeln 26 ein Element, in dem ein Gasbrennstoff-Einspritzloch gebildet ist, separat oder dergleichen vorgesehen sein.
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Eine Einbaustelle des Temperatursensors 33 ist nicht limitiert auf den distalen Endbereich der Hauptdüse 24, so lange wie die Temperatur auf der Stromabwärtsseite der Wirbelleitschaufeln 26 gemessen werden kann. Eine Vielzahl von Temperatursensoren 33 kann angeordnet sein.
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Zweite beispielhafte Ausführungsform
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Im Folgenden wird eine Brennkammer gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform werden hauptsächlich Unterschiede von der oben beschriebenen ersten beispielhaften Ausführungsform beschrieben werden, und eine Beschreibung von ahnlichen Abschnitten wird weggelassen. Die Brennkammer der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist vom Typ einer Nur-Gasbrennstoff-Verbrennung, in der nur Gasbrennstoff verwendet wird.
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Wie gezeigt in 7, weist ein Hauptbrenner 16B der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform einen ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41B und eine Vielzahl von zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfaden 42B auf. Wie gezeigt in 8, ist der erste Gasbrennstoff-Strömungspfad 41B im Wesentlichen in einem Zentrum einer Hauptduse 24B angeordnet. Die zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfade 42B sind auf einer radial äußeren Seite des ersten Gasbrennstoff-Strömungspfads 41B in Abständen in der Umfangsrichtung angeordnet.
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Der erste Gasbrennstoff-Strömungspfad 41B ist mit ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38a, angeordnet auf einer radial inneren Seite der Wirbelleitschaufeln 26, verbunden. Die zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfade 42B sind mit zweiten Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38b, angeordnet auf einer radial äußeren Seite bezüglich der ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38a, angeordnet.
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Eine Struktur/ein Aufbau der Hauptdüse 24B kann vereinfacht werden. Hierdurch ist es möglich, die Kosten der Gasturbine 1 zu reduzieren.
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Dritte beispielhafte Ausführungsform
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Im Folgenden wird eine Brennkammer gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform werden hauptsächlich Unterschiede von der oben beschriebenen zweiten beispielhaften Ausführungsform beschrieben und eine Beschreibung von ähnlichen Abschnitten wird weggelassen. Die Brennkammer der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform vom Typ einer Nur-Gasbrennstoff-Verbrennung, in der nur Gasbrennstoff verwendet wird.
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Wie gezeigt in 9, weist der Hauptbrenner 16C der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform einen ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41C und eine Vielzahl von zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfaden 42C auf. Ähnlich zur Brennkammer der zweiten beispielhaften Ausführungsform ist der erste Gasbrennstoff-Strömungspfad 41C im Wesentlichen in einem Zentrum einer Hauptdüse 24C angeordnet. Die zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfade 42C sind auf einer radial äußeren Seite des ersten Gasbrennstoff-Strömungspfads 41C in Abständen in einer Umfangsrichtung angeordnet.
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Der erste Gasbrennstoff-Strömungspfad 41C der vorliegenden beispielhaften Ausfuhrungsform ist mit einer Vielzahl von distalen Enden der Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38C, die in der Nachbarschaft eines distalen Endes der Hauptdüse 24C gebildet sind, verbunden. Die distalen Enden der Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38C sind derart gebildet, dass sie radial auswärts zur Stromabwartsseite hin geneigt sind. Die zweiten Gasbrennstoff-Strömungspfade 42C sind mit allen Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38, die in den Wirbelleitschaufeln 26 gebildet sind, verbunden.
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Die Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38 sind auf einer radial äußeren Seite bezüglich der distalen Enden der Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38C angeordnet.
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Die distalen Enden der Gasbrennstoff-Einspritzlöcher 38C, die mit dem ersten Gasbrennstoff-Strömungspfad 41C verbunden sind, können weiter radial einwärts angeordnet sein. Eine Struktur/ein Aufbau der Hauptduse 24C kann vereinfacht werden. Hierdurch ist es möglich, die Kosten der Gasturbine 1 zu reduzieren.
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Vierte beispielhafte Ausführungsform
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Im Folgenden wird eine Brennkammer gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform werden hauptsächlich Unterschiede von der oben beschriebenen ersten beispielhaften Ausfuhrungsform beschrieben und eine Beschreibung von ähnlichen Abschnitten wird weggelassen.
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Wie gezeigt in 10, ist in der Nachbarschaft einer Endstufe einer Turbine 4 einer Gasturbine 1 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ein BPT-Sensor 45 (Schaufelpfadtemperatur) vorgesehen, um eine Temperatur eines Abgases EX (im Folgenden als „Schaufelpfadtemperatur“ bezeichnet) unmittelbar nach der letzten Stufe der Turbine 4 zu messen. Auf der anderen Seite ist kein Temperatursensor am distalen Ende der Hauptdüse 24 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform vorgesehen.
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Für den BPT-Sensor 45 wird beispielsweise ein Temperaturfühler oder dergleichen verwendet. Die Schaufelpfadtemperatur, die durch den BPT-Sensor 45 gemessen wird, wird zur Steuerungsvorrichtung 5 übermittelt.
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In dem Temperaturerhöhungsbestimmungsschritt S1 vergleicht die Steuerungsvorrichtung 5 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform eine Schaufelpfadtemperatur zur Zeit der Messung mit einer Schaufelpfadtemperatur 60 Sekunden vor der Messung in Intervallen von jeweils 10 Sekunden und bestimmt, ob oder nicht ein Temperaturunterschied von ± 2°C oder mehr in zwei aufeinanderfolgenden Malen vorkommt.
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Wenn der oben beschriebene Temperaturunterschied auftritt, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 5, dass eine unnormale Verbrennung in einer Brennkammer 3 aufgetreten ist, und führt den Gasbrennstoffblockierschritt S2 aus.
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Wenn unnormale Verbrennung auftritt und eine Temperatur, die vom BPT-Sensor 45 ermittelt wird, wird eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, der Gasbrennstoff, der von den ersten Gasbrennstoff-Einspritzlöchern 38a (siehe 4) eingespritzt wird, herabgesetzt, um unverzüglich eine Brennstoffkonzentration auf der Stromabwartsseite der Hauptdüse 24 herabzusetzen, und hierdurch kann eine thermische Zerstörung/Beschädigung an der Brennkammer 3 verhindert werden.
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In der konventionellen Gasturbine 1, die den BPT-Sensor 45 zum Ermitteln einer Temperatur des Abgases der Turbine 4 hat, ist es möglich, eine thermische Zerstörung/Beschädigung an der Brennkammer 3 zu verhindern, ohne dass ein Temperatursensor an dem distalen Ende der Hauptdüse 24 vorgesehen wird.
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Eine Konfiguration des Hauptbrenners 16 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist nicht beschränkt auf die Konfiguration des Hauptbrenners 16 der ersten beispielhaften Ausfuhrungsform und die Konfiguration des Hauptbrenners 16 der zweiten beispielhaften Ausführungsform, und die dritte beispielhafte Ausführungsform kann ebenfalls angewandt werden.
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Wenn unnormale Verbrennung auftritt, und eine Temperatur, bestimmt durch den Temperatursensor, eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, wird Brennstoff, der von den ersten Brennstoff-Einspritzlöchern eingespritzt wird, vermindert, um unverzüglich eine Brennstoffkonzentration auf der Stromabwärtsseite des Düsenhauptkörpers herabzusetzen, und hierdurch kann eine thermische Zerstörung/Beschädigung an der Brennkammer verhindert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasturbine
- 2
- Verdichter
- 3
- Brennkammer
- 4
- Turbine
- 5
- Steuerungsvorrichtung
- 13
- Brennkammerbüchse
- 14
- Brennstoffausstoßer
- 15
- Pilotbrenner
- 16, 16B, 16C
- Hauptbrenner (Düsenhauptkörper)
- 19
- Pilotdüse
- 20
- Wirbelleitschaufel
- 23
- Brennstofföl-Einspritzloch
- 24, 24B, 24C
- Hauptdüse (Schaftkörper)
- 26
- Wirbelleitschaufel
- 33
- Temperatursensor
- 38
- Gasbrennstoff-Einspritzloch
- 38a
- Erstes Gasbrennstoff-Einspritzloch (erstes Brennstoff-Einspritzloch)
- 38b
- Zweites Gasbrennstoff-Einspritzloch (zweites Brennstoff-Einspritzloch)
- 40
- Brennstofföl-Strömungspfad
- 41, 41B, 41C
- Erster Gasbrennstoff-Strömungspfad (erster Brennstoff-Strömungspfad)
- 42, 42B, 42C
- Zweiter Gasbrennstoff-Strömungspfad (zweiter Brennstoff-Strömungspfad)
- 43
- Erstes Regelventil
- 44
- Zweites Regelventil
- 45
- BPT-Sensor
- Ab
- Brennerachse
- Ac
- Brennkammerachse
- Da
- Axialrichtung
- S1
- Temperaturerhöhungsbestimmungsschritt
- S2
- Gasbrennstoffblockierschritt
