DE19539771A1

DE19539771A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE19539771A1
Application number: DE1995139771
Authority: DE
Inventors: Philipp Brunner; Franz Dr Joos; Khawar Dr Syed
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2015-10-27
Also published as: DE19539771B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einer ersten und einer zweiten Beschaufelung, zwischen denen eine Mischstrecke und eine Brennkammer angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb der Gasturbine.

Stand der Technik

Derartige Gasturbinen mit einer ersten und einer zweiten Be schaufelung, zwischen denen eine Mischstrecke und eine Brenn kammer angeordnet ist sind bekannt. Durch entsprechende Maß nahmen wird in diesen Gasturbinen vor der Brennkammer der Restdrall der einströmenden Verbrennungsluft abgebaut und über eine Querschnittserweiterung die Strömung vor dem Ein tritt in die Brennkammer beruhigt. Die Querschnittserweite rung ist dabei üblicherweise so ausgelegt, daß die Machzahl der Strömung unter 0,1 fällt. Die sich durch die Beruhigung ergebende niedere Turbulenz erschwert jedoch die homogene Vermischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft. Des halb werden üblicherweise zur Einmischung des Brennstoffes in die Verbrennungsluft Mischelemente wie beispielsweise Draller zeuger verwendet. Zur guten Vermischung, die zur Erzielung niedriger Schadstoffemissionen und eines flachen Temperatur profils am Brennkammeraustritt erforderlich ist, müssen je doch Druckverluste an den Mischelementen in Kauf genommen werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbi ne und einem Verfahren der eingangs genannten Art möglichst niedrige Emissionen von Stickoxiden, Kohlenmonoxiden und un verbrannten Kohlenwasserstoffen zu erreichen und die Gastur bine zu vereinfachen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß unmittelbar stromabwärts der ersten Beschaufelung in der Mischstrecke ei ne Zusatzleitreihe angeordnet ist.

Ein Verfahren zum Betrieb der Gasturbine zeichnet sich da durch aus, daß der Restdrall der stromauf gelegenen ersten Beschaufelung über eine in der Mischstrecke angeordnete Zu satzleitreihe axial oder quasiaxial ausgerichtet wird und daß bei der Ausrichtung eine wirbelartige Sekundärströmung erzeugt wird, die zur großräumigen Verteilung eines in die Mischstrecke eingedüsten Brennstoffes verwendet wird.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch die Anordnung einer Zusatzleitreihe unmittelbar nach der Beschaufelung eine Querschnittserweiterung zur Her absetzung der Machzahl der Strömung nicht mehr benötigt wird. Dadurch wird die Gasturbinenkonstruktion vereinfacht und da durch kostengünstig. Weitere Vorteile sind, daß unvermeidli che Strömungsverluste, beispielsweise Diffusor- und Gleich richterverluste, hinter der ersten Beschaufelung unmittelbar zur Verbesserung der Brennstoff-Luft-Mischung verwendet wer den. Die durch die Zusatzleitreihen erzeugten Sekundärwirbel systeme werden aufgrund ihrer großräumigen Wirbelstrukturen wie auch durch Hilfe der verbleibenden Restturbulenz zur Brennstoffmischung ausgenutzt. Die Restturbulenz wird dabei zur kleinräumigen Verteilung des Brennstoffes verwendet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbine dargestellt.

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch die Gasturbine;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch die Gasturbine entlang Linie II-II in Fig. 1.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise das Außengehäuse sowie das Abgasgehäuse der Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nach Fig. 1 besteht die Gasturbine im wesentlichen aus minde stens zwei Beschaufelungen und einer dazwischenliegenden Brennkammer 14. Eine erste Beschaufelung 5 kann eine Turbi nenbeschaufelung oder wie im gezeigten Fall eine Verdichter beschaufelung sein. Die zweite Beschaufelung 7 ist eine Tur binenbeschaufelung. Die Beschaufelungen 5, 7 werden durch ei nen beschaufelten Rotor 1 und durch zwei mit Leitschaufeln 2 bestückte Schaufelträger 4a und 4b gebildet. Leitschaufeln 2 und Laufschaufeln 3 bilden jeweils sich abwechselnde Leit schaufel- und Laufschaufelreihen.

Anschließend an die erste Beschaufelung 5 ist ringförmig um den Rotor 1 eine Mischstrecke 13 und nachfolgend die Brenn kammer 14 angeordnet. Am Übergang zwischen Mischstrecke 13 und Brennkammer 14 befindet sich eine Stufe 15, wodurch sich der Querschnitt von der Mischstrecke zur Brennkammer erwei tert.

Ein Ringkanal 18 verläuft zwischen Mischstrecke, Brennkammer und Rotor 1. In diesen Ringkanal wird, bei der Verwendung der ersten Beschaufelung als Verdichterbeschaufelung, die gesamte rotorseitige Kühlluft eingeleitet. Diese Kühlluft wird zur Kühlung der Turbinenelemente verwendet.

Die von der ersten Strömungsmaschine 5 über eine letzte Stufe 6 geleitete Strömung besitzt einen umfangsförmig relativ gleichförmig verteilten, radialen Restdrall. Dieser Restdrall tritt nun in die Mischstrecke 13 ein und wird über Leitschau feln einer Zusatzleitreihe 10 in der Mischstrecke 13 mehr oder weniger axial ausgerichtet. Über eine Brennstofflanze 11 und eine stromabwärts der Zusatzleitreihe 10 in die Misch strecke einmündende Brennstoffeindüsung 12 kann nun Brenn stoff in die Mischstrecke 13 eingedüst werden.

Nach Fig. 2 entsteht durch das radiale Profil der Restdrall strömung in der Beschaufelung ein sekundäres Wirbelsystem 20. Dieses Wirbelsystem wird nun verwendet, um den Brennstoff mittels der Brennstoffeindüsung 12 großräumig in der Misch strecke 13 zu verteilen. Die bei der axialen Ausrichtung ver bleibende Restturbulenz sorgt weiter für die kleinräumige Verteilung des Brennstoffes.

Die Einstellung der Vermischung erfolgt durch die gegenseiti ge Anordnung von Zusatzleitreihe 10 und Brennstoffeindüsung 12. Die Brennstoffdüsen 12 sind dabei axial hinter der Leit reihe 10 positioniert. Die Brennstoffsprührichtung 16 erfolgt jeweils hauptsächlich in Richtung der Sekundärwirbel 20.

Die Sekundärströmung wird beim Eintritt über die Stufe 15 in die Brennkammer 14 zusätzlich nach der Zündung des Gemisches zur Flammenstabilisierung oder zumindest zur Unterstützung eines nicht dargestellten Flammenhalters verwendet. Die Rauchgase werden danach in die zweite Beschaufelung 7 einge leitet.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Misch strecke und die Brennkammer können auch aus mehreren, axial um den Rotor angeordneten Röhren bestehen. Anstelle der Stufe beim Übergang zur Brennkammer können auch andere Geometrien verwendet werden, bsw. kontinuierlicher Übergangsbereich, Diffusor, usw . . In die Mischstrecke können auch zur Unter stützung der Sekundärströmung zusätzliche Mischelemente/ Drallelemente eingebaut werden. Die Zumischung des Brennstof fes kann auch über die Wände der Zusatzleitreihe erfolgen, wobei der Brennstoff dann zusätzlich zur Kühlung der Zusatz leitreihe verwendet werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Rotor
2 Leitschaufel
3 Laufschaufel
4a, 4b Leitschaufelträger
5 erste Beschaufelung
6 letzte Stufe der ersten Beschaufelung
7 zweite Beschaufelung (Turbinenbeschaufelung)
10 Zusatzleitreihe
11 Brennstofflanze
12 Brennstoffeindüsung
13 Mischstrecke
14 Brennkammer
15 Stufe
16 Brennstoffsprührichtung
18 Ringkanal
20 sekundäres Wirbelsystem

Claims

1. Gasturbine mit einer ersten (5) und einer zweiten Be schaufelung (7), zwischen denen eine Mischstrecke (13) und eine Brennkammer (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar stromabwärts der ersten Beschaufelung (5) in der Mischstrecke (13) eine Zusatzleitreihe (10) angeordnet ist.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Zusatzleitreihe (10) Brennstoff eindüsungselemente (12) angeordnet sind.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Beschaufelung (5) eine Verdichterbeschau felung ist.

4. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Beschaufelung (5) eine Turbinenbeschaufe lung ist.

5. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit einer ersten (5) und einer zweiten Beschaufelung (5), zwischen denen eine Mischstrecke (13) und eine Brennkammer (14) ange ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Restdrall der stromauf gelegenen ersten Be schaufelung (5) über eine in der Mischstrecke (13) ange ordnete Zusatzleitreihe (10) axial oder quasiaxial aus gerichtet wird und daß bei der Ausrichtung eine wirbel artige Sekundärströmung (20) erzeugt wird, die zur großräumigen Verteilung eines in die Mischstrecke (13) eingedüsten Brennstoffes verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung der wirbelartigen Sekundärströ mung (20) weitere Drallelemente verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärströmung (20) beim Eintritt von der Mischstrecke (13) in die Brennkammer (14) unter Quer schnittsvergrößerung (15) zur Flammenstabilisierung verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff stromabwärts der Zusatzleitreihe (10) mittels einer Brennstoffeindüsung (12) eingedüst wird.