DE112018005689B4

DE112018005689B4 - Gasturbinenbrennkammer und gasturbine

Info

Publication number: DE112018005689B4
Application number: DE112018005689.9T
Authority: DE
Inventors: Kei Inoue; Kenji Miyamoto; Kenta Taniguchi; Satoshi Tanimura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2038-10-24
Also published as: CN111279128B; KR20200056426A; US11402098B2; JP2019082263A; CN111279128A; US20200340674A1; KR102288561B1; DE112018005689T5; WO2019082880A1; JP6895867B2

Abstract

Eine Gasturbinenbrennkammer (3) mit:einer Düse (31A), in der ein Luftausstoßdurchgang (F2), der sich entlang einer Achse erstreckt und der ein offenes distales Ende hat, und ein Brennstoffzufuhrdurchgang (F1), der sich entlang der Achse erstreckt und der ein offenes distales Ende hat, ausgebildet sind,Verwirbelungsschaufeln (S), die um die Düse (31A) herum vorgesehen sind, sodass sie um die Achse der Düse (31A) herum gewunden oder verdreht sind,einem Innenzylinder (32), der einen Außenumfang der Düse (31A) und die Verwirbelungsschaufeln (S) umgibt, so dass in diesem verdichtete Luft durch ein Inneres des Innenzylinders (32) zu einer Stromabseite strömen kann,einem Außenzylinder (33), der ausgestaltet ist, um einen Umkehrströmungsweg (C) zu definieren, der die verdichtete Luft an einem Außenumfang des Innenzylinders (32) umkehrt und die verdichtete Luft in das Innere des Innenzylinders (32) einführt, zwischen den Innen- und Außenzylindern (32,33), undeiner Gleichrichtungsplatte (B), die an der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs (C) vorgesehen ist, um die Strömung der verdichteten Luft gleichzurichten und an der Gleichrichtungsplatte (B) einen Druckverlust bezüglich der verdichteten Luft zu Erzeugen, so dass der Druck in dem Umkehrströmungsweg (C) an der Stromabseite der Gleichrichtungsplatte (B) niedriger ist als der Druck in einem Raum (V,Vc) an der Stromaufseite der Gleichrichtungsplatte (B), dadurch gekennzeichnet, dassein Lufteinführrohr (5) für verdichtete Luft vorgesehen ist, das ein Ende mit dem Raum (V,Vc) an der Stromaufseite der Gleichrichtungsplatte (B) verbunden hat und das andere Ende mit dem Luftausstoßdurchgang (F2) der Düse (31A) verbunden hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer und eine Gasturbine.
Eine in einer Gasturbine verwendete Brennkammer ist hauptsächlich mit einem Zylinder, durch den das Verbrennungsgas strömt, einer Vielzahl von Düsen, die in dem Zylinder eine Flamme bilden, und einer Vielzahl von um die Düse herum angeordneten Verwirbelungsschaufeln ausgestattet. Durch die von den Düsen gebildete Flamme wird im Zylinder Verbrennungsgas mit hoher Temperatur und hohem Druck erzeugt. Im Übrigen kann in einigen Fällen im Verlauf der Brennstoff- und Luftströmung innerhalb der Brennkammer ein Phänomen auftreten, das als Flammenrückschlag oder Flashback bezeichnet wird. Der Flammenrückschlag ist ein Phänomen, bei dem sich die Flammen zu unerwarteten Bereichen in der Brennkammer ausbreiten und dadurch eine anormale Verbrennung verursachen. Da insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck in einem zentralen Bereich (Wirbelkern) der von den Verwirbelungsschaufeln gebildeten Wirbelströmung geringer sind als in anderen Bereichen, ist bekannt, dass dort ein Flammenrückschlag zu erwarten ist. Um einen solchen Flammenrückschlag zu vermeiden, z.B. in einer Vorrichtung, die in der JP 2015 - 183 892 A beschrieben ist, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Wirbelkern, indem ein Luftströmungsweg für eine Zufuhr von Luft zum Wirbelkern von einem distalen Ende der Düsen gebildet wird. Die Luft wird von einer Position auf einer Stromaufseite der Verwirbelungsschaufeln (Druckverlustabschnitte) in der Düse in den Luftströmungsweg eingeführt. Dadurch kann ein Flammenrückschlag vermieden werden.
Aus der DE 10 2007 009 285 B4 ist eine gattungsgemäße Gasturbinenbrennkammer bekannt.
Aus der JP 2005 - 195 284 A ist eine Gasturbinenbrennkammer bekannt, mehrere Brennstoffdüsen besitzt, welche einen mit verdichteter Luft gespeisten, zentralen Luftausstoßdurchgang in der Düse haben, wobei der Luftausstoßdurchgang mit derselben Druckluft gespeist wird wie der Hauptströmungsdurchgang durch die Verwirbelungsschaufeln.
Die DE 11 2014 001 594 T5 offenbart eine Brennkammer und Gasturbine, die hinsichtlich der Luftführung der Druckluft zur Verwirbelung der DE 10 2007 009 285 B4 entspricht, wobei eine Zufuhr des Brennstoffs zu den mehreren Hauptdüsen über einen Verteiler erfolgt, der eine zentrale Brennstoffleitung in die einzelnen Hauptdüsen verzweigt.
Die DE 11 2017 001 694 T5 offenbart eine weitere Brennkammer und Gasturbine mit einer Hauptdüse, die einen zentralen Luftausstoßdurchgang besitzt.
Bei der Vorrichtung der JP 2015 - 183 892 A ist eine treibende Kraft der dem Luftströmungsweg zuzuführenden Luft jedoch nur eine Druckdifferenz in der Stromauf- und Stromabwärtsrichtung der Verwirbelungsschaufeln. Aus diesem Grund besteht die Wahrscheinlichkeit, dass je nach Leistungsbereich der Gasturbine keine ausreichende Druckdifferenz erreicht wird. Es besteht also immer noch die Wahrscheinlichkeit, dass dem Luftströmungsweg nicht genügend Luft zugeführt wird und es zu einem Flammenrückschlag kommen kann.
Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung der oben genannten Probleme gemacht worden, und eine Aufgabe davon ist es, eine Gasturbinenbrennkammer und eine Gasturbine vorzusehen, bei denen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Flammenrückschlägen weiter reduziert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Gasturbinenbrennkammer die Merkmale des Patentanspruches 1.
Gemäß dieser Ausgestaltung wird die verdichtete Luft des Raumes auf der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs durch das Lufteinführrohr zum Luftausstoßdurchgang geführt. Da hier ein Druckverlust durch den Umkehrströmungsweg und die Verwirbelungsschaufel auftritt, ist der Druck im Raum innerhalb des Innenzylinders ausreichend kleiner als der Druck des Raumes auf der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs. Es kann also eine ausreichende Druckdifferenz zwischen einem Ende des Lufteinführrohrs und dem anderen Ende erreicht werden. Daher kann dem Luftausstoßdurchgang eine ausreichende Menge an verdichteter Luft zugeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann ein Ende des Luftausstoßdurchgangs an einem distalen Ende der Düse offen sein.
Da ein Ende des Luftausstoßdurchgangs zum distalen Ende der Düse hin offen ist, wird gemäß dieser Ausgestaltung dem Wirbelkern der nahe dem distalen Ende der Düse erzeugten Verwirbelungsströmung ausreichend verdichtete Luft zugeführt. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Wirbelkern erhöht werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Gasturbinenbrennkammer auf der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs mit einer Gleichrichtungsplatte versehen, um die Strömung der verdichteten Luft gleichzurichten und die verdichtete Luft zum Erzeugen des Druckverlusts daran zu veranlassen.
Gemäß dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Druckdifferenz zwischen dem Raum im Inneren des Innenzylinders und dem Raum auf der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs durch den von der Gleichrichtungsplatte verursachten Druckverlust weiter zu erhöhen. Daher kann die Strömungsgeschwindigkeit der aus dem Luftausstoßdurchgang auszustoßenden Luft weiter erhöht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Gasturbinenbrennkammer ferner eine Vielzahl von Düsen, wobei das Lufteinführungsrohr ein Haupteinführrohr, das ein Ende hat, das mit dem Raum an der Stromaufseite verbunden ist, und einen Verteilerabschnitt, der ein Ende mit dem Haupteinführungsrohr verbunden hat und das andere Ende zu der Vielzahl von Düsen verzweigt hat, aufweist.
Gemäß dieser Ausgestaltung kann die vom Haupteinführrohr geführte verdichtete Luft durch den Verteilerabschnitt der Vielzahl von Düsen zugeführt werden.
Da es also nicht notwendig ist, für jede der Düsen ein Haupteinführrohr vorzusehen, können der Umfang der Bearbeitung und die am Außenzylinder durchzuführenden Reparaturen reduziert werden. Daher können die Bauzeit verkürzt und die Kosten reduziert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbine vorgesehen, die die Merkmale des Patentanspruches 6 umfasst.
Gemäß dieser Ausgestaltung ist es möglich, eine Gasturbine vorzusehen, die stabiler arbeiten kann, indem die Wahrscheinlichkeit eines Flammenrückschlags in der Brennkammer verringert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Gasturbinenbrennkammer und eine Gasturbine vorgesehen werden, bei denen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Flammenrückschlags weiter reduziert wird.

1 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausgestaltung einer Gasturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine vergrößerte Querschnittansicht eines Hauptteils einer Brennkammer gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine vergrößerte Querschnittansicht eines Hauptteils einer Brennkammer gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Wie in 1 gezeigt, ist eine Gasturbine 1 nach der vorliegenden Ausführungsform mit einem Verdichter 2, der verdichtete Luft erzeugt, einer Brennkammer 3 (einer Gasturbinenbrennkammer 3), die durch Mischen und Verbrennen von verdichteter Luft A und Brennstoff F ein Verbrennungsgas erzeugt, und einer Turbine 4, die durch das Verbrennungsgas angetrieben wird, ausgestattet.
Der Verdichter 2 hat einen Verdichterrotor 21, der sich entlang einer Hauptachse Am erstreckt, und ein Verdichtergehäuse 22, das den Verdichterrotor 21 von einer Außenumfangsseite abdeckt. Der Verdichterrotor 21 ist um die Hauptachse Am rotierbar getragen. Eine Vielzahl von Verdichterlaufschaufelreihen 23, die in Abständen oder Intervallen in Richtung der Hauptachse Am angeordnet sind, sind an einer Außenumfangsfläche des Verdichterrotors 21 vorgesehen.
Jede Verdichterlaufschaufelreihe 23 hat eine Vielzahl von Verdichterlaufschaufeln 24, die in Umfangsrichtung der Hauptachse Am in Abständen oder Intervallen angeordnet sind.
Das Verdichtergehäuse 22 hat eine zylindrische Form, die auf die Hauptachse Am zentriert ist. An einer Innenumfangsfläche des Verdichtergehäuses 22 sind mehrere Verdichterleitschaufelreihen 25 vorgesehen, die mit der vorgenannten Verdichterlaufschaufelreihe 23 in Richtung der Hauptachse Am versetzt angeordnet sind. Jede Verdichterleitschaufelreihe 25 hat eine Vielzahl von Verdichterleitschaufeln 26, die an der Innenumfangsfläche des Verdichtergehäuses 22 in Umfangsrichtung der Hauptachse Am in Abständen oder Intervallen angeordnet sind.
Die Brennkammer 3 ist zwischen dem Verdichtergehäuse 22 und einem später zu beschreibenden Turbinengehäuse 42 vorgesehen. Die Brennkammer 3 steht mit dem Inneren des Verdichtergehäuses 22 in Verbindung. Daher wird die vom Verdichter 2 erzeugte verdichtete Luft in die Brennkammer 3 geführt. Wie später ausführlich beschrieben wird, wird in der Brennkammer 3 durch die Verbrennung des Gemischs aus verdichteter Luft und Brennstoff ein Verbrennungsgas mit hoher Temperatur und hohem Druck erzeugt.
Die Turbine 4 hat einen Turbinenrotor 41, der sich entlang der Hauptachse Am erstreckt, und ein Turbinengehäuse 42, das den Turbinenrotor 41 von der Außenumfangsseite abdeckt. Auf der Außenumfangsoberfläche des Turbinenrotors 41 sind eine Vielzahl in Richtung der Hauptachse Am in Abständen angeordnete Turbinenlaufschaufelreihen 43 vorgesehen.
Jede Turbinenlaufschaufelreihe 43 hat eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln 44, die in Umfangsrichtung der Hauptachse Am in Abständen oder Intervallen angeordnet sind.
Das Turbinengehäuse 42 hat eine zylindrische Form, die auf die Hauptachse Am zentriert ist. An der Innenumfangsfläche des Turbinengehäuses 42 sind eine Vielzahl von Turbinenleitschaufelreihen 45 vorgesehen, die mit der vorgenannten Turbinenlaufschaufelreihe 43 in Richtung der Hauptachse Am versetzt angeordnet sind. Jede Turbinenleitschaufelreihe 45 hat eine Vielzahl von Turbinenstatorschaufeln 46, die an der Innenumfangsfläche des Turbinengehäuses 42 in Umfangsrichtung der Hauptachse Am in Abständen oder Intervallen angeordnet sind.
Der Verdichterrotor 21 und der Turbinenrotor 41 sind an der Hauptachse Am zu einem Gasturbinenrotor 91 integral verbunden. In ähnlicher Weise sind das Verdichtergehäuse 22 und das Turbinengehäuse 42 in Richtung der Hauptachse Am integral miteinander verbunden, um ein Gasturbinengehäuse 92 zu bilden. Der Gasturbinenrotor 91 rotiert im Innern des Gasturbinengehäuses 92 (einem Raum V) integral um die Hauptachse Am. Als Beispiel ist ein Generator G, der mit der Rotation des Gasturbinenrotors 91 Strom erzeugt, mit einem Ende des Gasturbinenrotors 91 verbunden.
Als nächstes wird eine detaillierte Ausgestaltung der ersten Ausführungsform der Brennkammer 3 beschrieben. Wie in 1 dargestellt hat die Brennkammer 3 gemäß der vorliegenden Ausführung eine zylindrische Form, die auf eine Brennkammerachse Ac (eine Achse) zentriert ist, die sich in einer Richtung erstreckt, die die Hauptachse Am schneidet. Außerdem ist die Brennkammer 3, wie in 2 dargestellt, mit einer Brennstoffdüse 31, die Brennstoff einspritzt, einem zylindrischen Innenzylinder 32, in dem die Brennstoffdüse 31 aufgenommen ist, einem Außenzylinder 33, der mit einer Stromaufseite des Innenzylinders 32 verbunden ist, und einem Endrohr 34, das mit einer Stromabseite des Innenzylinders 32 verbunden ist, ausgestattet.
Die Brennstoffdüse 31 spritzt den von einer Brennstoffzufuhrquelle zugeführten Brennstoff in das Innere des Innenzylinders 32 ein. Wie in 2 gezeigt hat die Brennstoffdüse 31 eine erste Düse 31A (Düse) zur Bildung einer vorgemischten Verbrennungsflamme und eine zweite Düse 31B zur Zündung des aus der ersten Düse 31A einzuspritzenden Brennstoffs. Die einzelne zweite Düse 31B ist entlang der Brennkammerachse Ac vorgesehen. Eine Vielzahl von ersten Düsen 31A sind in Umfangsrichtung der Brennkammerachse Ac in Abständen oder Intervallen angeordnet.
Die zweite Düse 31B entzündet das aus der ersten Düse 31A eingespritzte vorgemischte Gas durch Bildung einer Diffusionsverbrennungsflamme. Mit der Bildung der vorgemischten Verbrennungsflamme, die durch die erste Düse 31A erzeugt wird, wird im Innenzylinder 32 und im Endrohr 34 Verbrennungsgas mit hoher Temperatur und hohem Druck erzeugt.
Der Innenzylinder 32 umgibt einen Außenumfang der Brennstoffdüse 31 (die Vielzahl der ersten Düsen 31A und die zweite Düse 31B), die um die Brennkammerachse Ac angeordnet sind. Konkret ist die Brennstoffdüse 31 in einem Bereich innerhalb des Innenzylinders 32 auf einer Seite in Richtung der Brennkammerachse Ac vorgesehen. Der Innenzylinder 32 hat eine kreisförmige Rohrform, die auf die Brennkammerachse Ac zentriert ist. Ein Stromaufendabschnitt des Innenzylinders 32 ist ein dicker Abschnitt T mit einer Dicke (einer Abmessung der Brennkammerachse Ac in der Radialrichtung) eingestellt, um größer als andere Abschnitte zu sein. Der dicke Abschnitt T ist einem unten zu beschreibenden Außenzylinder 33 mit einem Zwischenraum dazwischen zugewandt.
Der Außenzylinder 33 ist ein zylindrisches Element mit Boden, das zum Verschließen eines im Raum V ausgebildeten Brennkammereinführlochs H vorgesehen ist. Der Außenzylinder 33 hat einen im Wesentlichen zylindrischen Außenzylinder-Hauptkörper 33A und eine Düsenbasis 33B, die die zweite Düse 31B und die erste Düse 31A trägt.
Ein Abschnitt der Innenumfangsfläche des Außenzylinder-Hauptkörpers 33A, einschließlich eines Endabschnitts auf einer Seite in Richtung der Brennkammerachse Ac, ist in einer gekrümmten Oberflächenform gekrümmt, um von einer Innenseite zu einer Außenseite in einer Radialrichtung, von einer Seite zur anderen Seite in Richtung der Brennkammerachse Ac, gerichtet zu werden. Dieser Abschnitt definiert einen Umkehrströmungsweg C, indem er dem dicken Teil T des oben genannten Innenzylinders 32 gegenüberliegt. Die verdichtete Luft in dem Raum V strömt in den Umkehrströmungsweg C ein. Die verdichtete Luft ändert die Richtung, wenn sie den Umkehrströmungsweg C durchströmt, und strömt im Inneren des Innenzylinders 32 von einer Seite zur anderen in Richtung der Brennkammerachse Ac. In der folgenden Beschreibung wird eine Seite, von der die verdichtete Luft her strömt, als Stromaufseite und eine Seite, zu der die verdichtete Luft hin strömt, als Stromabseite bezeichnet. Eine Gleichrichtungsplatte B ist in einem Abschnitt auf der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs C (auf der Seite des Raums V) vorgesehen. Obwohl nicht im Detail dargestellt, hat die Gleichrichtungsplatte B eine Vielzahl von Plattenelementen, die in Abständen oder Intervallen angeordnet sind. Die Gleichrichtungsplatte B richtet die Strömung der verdichteten Luft aus und erzeugt einen Druckverlust von der Stromaufseite zur Stromabseite. Der Druck ist im Umkehrströmungsweg C, der die Stromabseite der Gleichrichtungsplatte B ist, also niedriger als im Raum V, der die Stromaufseite ist.
Eine Außenumfangsfläche 35 (eine bezüglich der Brennkammerachse Ac radial nach außen gewandte Fläche) des Außenzylinder-Hauptkörpers 33A liegt der Innenumfangsfläche H1 des oben beschriebenen Brennkammereinführlochs H über einem Zwischenraum Vc gegenüber, der sich in radialer Richtung bezüglich der Brennkammerachse Ac erstreckt. Der Zwischenraum Vc ist ein Raum, der durch die Innenumfangsfläche H1 des Brennkammereinführlochs H, der Außenumfangsfläche 35 des Außenzylinder-Hauptkörpers 33A und eine Fläche (die Stromabfläche 36), die der Stromabseite des Außenzylinder-Hauptkörpers 33A zugewandt ist, gebildet wird. Der Zwischenraum Vc hat also eine Ringform, die auf die Brennkammerachse Ac zentriert ist. Der Zwischenraum Vc steht mit dem oben genannten Raum V in Verbindung. Daher ist der Druck im Zwischenraum Vc gleich dem Druck im Raum V. Mit anderen Worten ist der Druck der verdichteten Luft im Zwischenraum Vc höher als der Druck der verdichteten Luft im Umkehrströmungsweg C. In der Richtung, in der die verdichtete Luft strömt, befindet sich also der Zwischenraum Vc auf der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs C, wie der Raum V.
Die Düsenbasis 33B ist ein im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildetes Element, das auf die Brennkammerachse Ac zentriert ist. Eine zweite Düse 31B wird durch einen Bereich eingesetzt, der den Mittelpunkt der Düsenbasis 33B einschließt. Ferner ist an der Außenumfangsseite der zweiten Düse 31B eine Vielzahl von ersten Düsen 31A in der Umfangsrichtung der Brennkammerachse Ac in Abständen oder Intervallen angeordnet. Die erste Düse 31A hat eine im Wesentlichen röhrenförmige Form und verfügt über einen darin ausgebildeten Brennstoffzufuhrdurchgang F1 und einen Luftausstoßdurchgang F2. Um die erste Düse 31A sind eine Vielzahl von Verwirbelungsschaufeln S vorgesehen. Jede Verwirbelungsschaufel S ist um die Mittelachse der ersten Düse 31A von einer Seite zur anderen Seite in Richtung der Brennkammerachse Ac gewunden oder verdreht. Die Mittelachse der ersten Düse 31A ist eine Achse, die sich parallel zur Brennkammerachse Ac erstreckt. Dadurch wird dem Fluid, das um die Verwirbelungsschaufel S herum strömte, eine Wirbelströmungskomponente hinzugefügt.
Ein distales Ende des Brennstoffzufuhrdurchgangs F1 ist zur Oberfläche jeder Verwirbelungsschaufel S hin offen. Der durch den Brennstoffzufuhrdurchgang F1 zugeführte Brennstoff wird also an der Oberfläche der Verwirbelungsschaufel S mit der verdichteten Luft vermischt. Die oben erwähnte vorgemischte Verbrennungsflamme wird an der Stromabseite der ersten Düse 31A durch Verbrennung des Luft-KraftstoffGemisches gebildet.
Ein distales Ende (ein Ende) des Luftausstoßdurchgangs F2 ist zum distalen Ende (Endabschnitt auf bzw. an der Stromabseite) der ersten Düse 31A offen. Ein Lufteinführrohr 5 ist mit dem anderen Ende des Luftausstoßdurchgangs F2 verbunden. Das Lufteinführrohr 5 ist ein Rohr, das den oben erwähnten Zwischenraum Vc und den Luftausstoßdurchgang F2 verbindet. Das Lufteinführrohr 5 erstreckt sich vom Zwischenraum Vc zur Außenseite des Außenzylinders 33 und ist mit dem Luftausstoßdurchgang F2 verbunden, um die Düsenbasis 33B zu durchdringen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist an jede erste Düse 31A ein einzelnes Lufteinführrohr 5 angeschlossen. Die Vielzahl von Lufteinführrohren 5, die sich vom Zwischenraum Vc aus erstrecken, werden also einzeln mit jeder ersten Düse 31A verbunden.
Als nächstes wird der Betrieb der Gasturbine 1 und der Brennkammer 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Beim Betrieb der Gasturbine 1 wird zunächst der Verdichterrotor 21 (der Gasturbinenrotor 91) durch eine externe Antriebsquelle in Rotation versetzt. Die Außenluft wird mit der Rotation des Verdichterrotors 21 sequentiell verdichtet und dadurch verdichtete Luft erzeugt. Die verdichtete Luft wird durch einen Raum im Verdichtergehäuse 22 in die Brennkammer 3 zugeführt. In der Brennkammer 3 wird der aus der Brennstoffdüse 31 zugeführte Brennstoff mit der verdichteten Luft vermischt und verbrannt, wodurch ein Verbrennungsgas mit hoher Temperatur und hohem Druck erzeugt wird. Das Verbrennungsgas wird der Turbine 4 durch einen Raum innerhalb des Turbinengehäuses 42 zugeführt. In der Turbine 4 wird dem Turbinenrotor 41 (dem Gasturbinenrotor 91) durch das aufeinanderfolgende Auftreffen des Verbrennungsgases auf die Turbinenlaufschaufeln 44 und die Turbinenleitschaufeln 46 eine Drehantriebskraft verliehen. Die Rotationsenergie wird zum Antrieb eines mit einem Wellenende verbundenen Generators G verwendet.
Als nächstes wird der Betrieb der Brennkammer 3 im Detail beschrieben. Die vom Verdichter 2 erzeugte verdichtete Luft wird aus dem Raum V durch die Gleichrichtungsplatte B und den Umkehrströmungsweg C in den Innenzylinder 32 geleitet. Wenn die verdichtete Luft durch die Gleichrichtungsplatte B und den Umkehrströmungsweg C strömt, entsteht darin ein Druckverlust. Die in den Innenzylinder 32 eingeführte verdichtete Luft wird mit dem aus der ersten Düse 31A eingespritzten Brennstoff zu einem vorgemischten Gas vermischt. Das vorgemischte Gas wird durch die aus der zweiten Düse 31B eingespritzte Diffusionsverbrennungsflamme gezündet, um eine vorgemischte Verbrennungsflamme zu bilden. Die vorgemischte Verbrennungsflamme erstreckt sich von der Stromaufseite zur Stromabseite im Innenzylinder 32 und erzeugt Verbrennungsgas mit hoher Temperatur und hohem Druck. Das Verbrennungsgas strömt innerhalb des Endrohrs 34 von einer Seite zur anderen Seite in Richtung der Brennkammerachse Ac und wird dann in das Turbinengehäuse 42 eingeführt, um die Turbine 4 anzutreiben.
Da die Verwirbelungsschaufeln S um die erste Düse 31A herum angeordnet sind, ist hier die Wirbelströmungskomponente in der vorgemischten Verbrennungsflamme enthalten. Die vorgemischte Verbrennungsflamme breitet sich also aus, während sie sich um die erste Düse 31A von einer Seite zur anderen in Richtung der Brennkammerachse Ac dreht. Demgemäß wird am anderen Ende der distalen Seite der ersten Düse 31A in Richtung der Brennkammerachse Ac ein Wirbelkern der Wirbelströmung gebildet. Es ist bekannt, dass ein Flammenrückschlag im Wirbelkern wahrscheinlich ist, weil die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck geringer sind als in anderen Bereichen. Der Flammenrückschlag ist ein Phänomen, bei dem eine anormale Verbrennung durch die Ausbreitung der Flammen auf den in unerwarteten Bereichen innerhalb der Brennkammer 3 verbliebenen Brennstoff verursacht wird.
Um einen solchen Flammenrückschlag zu vermeiden, wird in der vorliegenden Ausführungsform der oben erwähnte Luftausstoßdurchgang F2 in der ersten Düse 31A gebildet.
Die verdichtete Luft in dem Raum V (Zwischenraum Vc) wird über das Lufteinführrohr 5 dem Luftausstoßdurchgang F2 zugeführt. Da das distale Ende des Luftausstoßdurchgangs F2 zum Stromabseitenendabschnitt der ersten Düse 31A offen ist, wird dem Wirbelkern verdichtete Luft mit hohem Druck zugeführt. Dadurch können die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck des Fluids im Wirbelkern erhöht werden.
Wie oben beschrieben, wird in der Brennkammer 3 nach der vorliegenden Ausführungsform die verdichtete Luft des Raumes (Zwischenraumes Vc) auf der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs C durch das Lufteinführrohr 5 zum Luftausstoßdurchgang F2 geführt. Da hier der Druckverlust durch den Umkehrströmungsweg C und die Verwirbelungsschaufel S auftritt, ist der Druck im Raum im Inneren des Innenzylinders 32 ausreichend kleiner als der Druck im Zwischenraum Vc. Es kann also eine ausreichende Druckdifferenz zwischen dem einen Ende des Lufteinführrohrs 5 und dem anderen Ende erreicht werden. Daher kann dem Luftausstoßdurchgang F2 eine ausreichende Menge an verdichteter Luft zugeführt werden.
Da ein Ende des Luftausstoßdurchgangs F2 zum distalen Ende der Düse hin offen ist, wird dem Wirbelkern der Wirbelströmung, die in der Nähe des distalen Endes der Düse erzeugt wird, ausreichend verdichtete Luft zugeführt. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Wirbelkern erhöht werden.
Darüber hinaus ist es gemäß der oben genannten Ausgestaltung möglich, die Druckdifferenz zwischen dem Raum im Inneren des Innenzylinders 32 und dem Zwischenraum Vc, der der Raum auf der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs C ist, durch den von der Gleichrichtungsplatte B verursachten Druckverlust weiter zu erhöhen. Daher kann die Strömungsgeschwindigkeit der aus dem Luftausstoßdurchgang auszustoßenden Luft weiter erhöht werden.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der Brennkammer 3 mit Bezug auf 3 beschrieben. Bestandteile, die mit denen der ersten Ausführungsform identisch sind, werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und es wird keine detaillierte Beschreibung dieser Bestandteile gegeben. Wie in 3 dargestellt, hat das Lufteinführrohr 5 bei der vorliegenden Ausführungsform ein Haupteinführrohr 51 und einen Verteilerabschnitt 52, der mit dem Haupteinführrohr 51 verbunden ist. Ein Ende des Haupteinführrohrs 51 ist mit dem Zwischenraum Vc verbunden. Das andere Ende des Haupteinführungsrohrs 51 ist mit dem Verteilerabschnitt 52 verbunden. Der Verteilerabschnitt 52 teilt die durch das Haupteinführrohr 51 in Richtung der Vielzahl der ersten Düsen 31A geführte verdichtete Luft auf. Also sind nur ein Einlassport oder -anschluss 52A und eine Vielzahl von Auslassports oder -anschlüssen 52B, die jeweils mit dem Einlassport 52A in Verbindung stehen, in dem Verteilerabschnitt 52 gebildet. Die Anzahl der Auslassports 52B entspricht der Anzahl der ersten Düsen 31A in der Brennkammer 3. Ein in der ersten Düse 31A gebildeter Luftausstoßdurchgang F2 ist mit jedem Auslassport 52B verbunden.
Gemäß der oben genannten Ausgestaltung weist das Lufteinführrohr 5 das Haupteinführrohr 51 und den Verteilerabschnitt 52 auf. Auf diese Weise kann die aus dem Zwischenraum Vc durch das Haupteinführrohr 51 geführte verdichtete Luft verteilt und durch den Verteilerabschnitt 52 der Vielzahl von ersten Düsen 31A zugeführt werden. Da es nicht notwendig ist, das Haupteinführrohr 51 für jede der ersten Düsen 31A vorzusehen, ist es also möglich, den Umfang der am Außenzylinder 33 durchzuführenden Bearbeitung oder Reparaturen zu reduzieren. Daher können die Bauzeit verkürzt und die Kosten reduziert werden.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. An der oben genannten Ausgestaltung können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel wurde die Ausgestaltung, bei der der Luftausstoßdurchgang F2 nur in der ersten Düse 31A vorgesehen ist, in der oben genannten Ausführungsform beschrieben. Der Luftausstoßdurchgang F2 kann jedoch in der zweiten Düse 31B vorgesehen werden. Auch in diesem Fall kann, ähnlich wie bei der ersten Düse 31A, der Luftausstoßdurchgang F2 vorgesehen werden, indem ein Strömungsweg gebildet wird, der in das Innere der zweiten Düse 31B eindringt und sich am Stromabendabschnitt der zweiten Düse 31B öffnet. Ferner ist es auch möglich, den Luftausstoßdurchgang F2 nur in der zweiten Düse 31B zu bilden.
Ferner wurde die Ausgestaltung, in der die Verwirbelungsschaufel S an der ersten Düse 31A angebracht ist, in jeder der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Der Aspekt der Verwirbelungsschaufel S ist jedoch nicht auf die oben genannten Ausführungen beschränkt, und es ist möglich, eine Ausgestaltung anzunehmen, bei der die Verwirbelungsschaufel S an der Innenumfangsfläche des Innenzylinders 32 befestigt ist, die die erste Düse 31A abdeckt.
Gemäß der Gasturbinenbrennkammer wird die verdichtete Luft des Raumes auf der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs durch das Lufteinführrohr zum Luftausstoßdurchgang geführt. Da hier ein Druckverlust durch den Umkehrströmungsweg und die Verwirbelungsschaufel auftritt, ist der Druck des Raumes im Inneren des Innenzylinders ausreichend kleiner als der Druck des Raumes auf bzw. an der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs. Es kann also eine ausreichende Druckdifferenz zwischen einem Ende des Lufteinführrohrs und dem anderen Ende erreicht werden. Daher kann dem Luftausstoßdurchgang eine ausreichende Menge an verdichteter Luft zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Gasturbine
2: Verdichter
3: Brennkammer
4: Turbine
5: Lufteinführrohr
21: Verdichterrotor
22: Verdichtergehäuse
23: Verdichterlaufschaufelreihe
24: Verdichterlaufschaufel
25: Verdichterleitschaufelreihe
26: Verdichterleitschaufel
31: Brennstoffdüse
31A: erste Düse
31B: zweite Düse
32: Innenzylinder
33: Außenzylinder
33A: Außenzylinder-Hauptkörper
33B: Düsenbasis
34: Endrohr
35: Außenumfangsfläche
36: Stromabfläche
41: Turbinenrotor
42: Turbinengehäuse
43: Turbinenlaufschaufelreihe
44: Turbinenlaufschaufel
45: Turbinenleitschaufelreihe
46: Turbinenleitschaufel
51: Haupteinführrohr
52: Verteilerabschnitt
52A: Einlassport oder -anschluss
52B: Auslassport oder -anschluss
91: Gasturbinenrotor
92: Gasturbinengehäuse
Am: Hauptachse
Ac: Brennkammerachse
B: Gleichrichtungsplatte
C: Umkehrströmungsweg
F1: Brennstoffzufuhrdurchgang
F2: Luftausstoßdurchgang
G: Generator
H: Brennkammereinführloch
H1: Innenumfangsfläche
S: Verwirbelungsschaufel
T: dicker Abschnitt
V: Raum
Vc: Zwischenraum

Claims

Eine Gasturbinenbrennkammer (3) mit: einer Düse (31A), in der ein Luftausstoßdurchgang (F2), der sich entlang einer Achse erstreckt und der ein offenes distales Ende hat, und ein Brennstoffzufuhrdurchgang (F1), der sich entlang der Achse erstreckt und der ein offenes distales Ende hat, ausgebildet sind, Verwirbelungsschaufeln (S), die um die Düse (31A) herum vorgesehen sind, sodass sie um die Achse der Düse (31A) herum gewunden oder verdreht sind, einem Innenzylinder (32), der einen Außenumfang der Düse (31A) und die Verwirbelungsschaufeln (S) umgibt, so dass in diesem verdichtete Luft durch ein Inneres des Innenzylinders (32) zu einer Stromabseite strömen kann, einem Außenzylinder (33), der ausgestaltet ist, um einen Umkehrströmungsweg (C) zu definieren, der die verdichtete Luft an einem Außenumfang des Innenzylinders (32) umkehrt und die verdichtete Luft in das Innere des Innenzylinders (32) einführt, zwischen den Innen- und Außenzylindern (32,33), und einer Gleichrichtungsplatte (B), die an der Stromaufseite des Umkehrströmungswegs (C) vorgesehen ist, um die Strömung der verdichteten Luft gleichzurichten und an der Gleichrichtungsplatte (B) einen Druckverlust bezüglich der verdichteten Luft zu Erzeugen, so dass der Druck in dem Umkehrströmungsweg (C) an der Stromabseite der Gleichrichtungsplatte (B) niedriger ist als der Druck in einem Raum (V,Vc) an der Stromaufseite der Gleichrichtungsplatte (B), dadurch gekennzeichnet, dass ein Lufteinführrohr (5) für verdichtete Luft vorgesehen ist, das ein Ende mit dem Raum (V,Vc) an der Stromaufseite der Gleichrichtungsplatte (B) verbunden hat und das andere Ende mit dem Luftausstoßdurchgang (F2) der Düse (31A) verbunden hat.
Die Gasturbinenbrennkammer (3) gemäß Anspruch 1, wobei ein Ende des Luftausstoßdurchgangs (F2) an einem distalen Ende der Düse (31A) offen ist.
Die Gasturbinenbrennkammer (3) gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer Vielzahl von Düsen (31A), wobei das Lufteinführrohr (5) ein Haupteinführrohr (51), das ein Ende hat, das mit dem Raum (V,Vc) an der Stromaufseite verbunden ist, und einen Verteilerabschnitt (52), der ein Ende mit dem Haupteinführrohr (51) verbunden hat und das andere Ende zu der Vielzahl von Düsen (31A) verzweigt hat, aufweist.
Die Gasturbinenbrennkammer (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Raum (V,Vc), mit dem das eine Ende des Lufteinführrohrs (5) verbunden ist, eine Ringform besitzt und zwischen einem Turbinengehäuse (42) und einem Außenzylinder (33), der zum Verschließen eines in dem Raum (V,Vc) ausgebildeten Brennkammereinführlochs (H) des Turbinengehäuses (42) vorgesehen ist, gebildet ist.
Die Gasturbinenbrennkammer (3) gemäß Anspruch 4, wobei der Raum (V,Vc), mit dem das eine Ende des Lufteinführrohrs (5) verbunden ist, durch eine Innenumfangsfläche (H1) des Brennkammereinführlochs (H), eine Außenumfangsfläche (35) eines Außenzylinder-Hauptkörpers (33A) und eine der Stromabseite des Außenzylinder-Hauptkörpers (33A) zugewandte Fläche (36) des Außenzylinder-Hauptkörpers (33A) gebildet ist.
Eine Gasturbine (1) mit: einem Verdichter (2), der ausgestaltet ist, um externe Luft zu verdichten, um verdichtete Luft zu erzeugen, der Gasturbinenbrennkammer (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die ausgestaltet ist, um die verdichtete Luft und einen Brennstoff zu verbrennen, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen, und einer Turbine (4), die ausgestaltet ist, um durch das Verbrennungsgas angetrieben zu werden.