DE4412315A1

DE4412315A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben der Brennkammer einer Gasturbine

Info

Publication number: DE4412315A1
Application number: DE19944412315
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus; Franz Dr Joos
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-04-11
Filing date: 1994-04-11
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2014-04-12
Also published as: DE4412315B4; JPH07293886A; JP4106098B2; CN1133421A; CN1088172C

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben der Brennkammer einer Gasturbine.

Stand der Technik

Aus der EP-B1-0 321 809 ist ein Vormischbrenner der Doppelke gelbauart bekannt, der aus zwei Teilkegelkörpern mit versetzt zueinander angeordneten Mittelachsen besteht. Auf beiden Sei ten des Brenners ist ein tangentialer Lufteintrittsschlitz ausgebildet, in dem radial zugeführter gasförmiger bzw. axial zugeführter flüssiger Brennstoff mit der vom Verdichter her anströmenden Verbrennungsluft vermischt wird. Beim Aufplatzen dieses eine sehr hohe Umfangsgeschwindigkeit aufweisenden Brennstoff-Luftgemisches, dem sogenannten Vortex-Breakdown, wird im Bereich der Brennermündung eine optimale, homogene Brennstoffkonzentration erzeugt.

Durch radiale Verschiebung der Teilkegelkörper zueinander ist es möglich, die Größe der zwischen ihnen ausgebildeten Luft eintrittsschlitze und damit die Umfangsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches so zu verändern, daß entsprechend den Einsatzbedingungen stets die optimale Bedingungen zur Ausbildung des Vortex-Breakdown erzeugt werden können.

Wie aus der EP-A1-0 387 532 bekannt, werden mehrere solcher Doppelkegelbrenner anströmseitig in der Brennkammer einer Gasturbine angeordnet. Dabei fungieren sie entsprechend der Menge der sie durchströmenden Verbrennungsluft entweder als Pilot- oder als Hauptbrenner. Beide Brennerarten sind in ei ner Reihe und jeweils abwechselnd in der Brennkammer angeord net. Somit ist es möglich, die kleineren Pilotbrenner im ge samten Lastbereich bei idealem Gemisch zu fahren, weshalb auch bei Teillast relativ geringe NOx-Emissionen erreicht werden.

Aus Umweltschutzgründen besteht aber ständig die Aufgabe, den Anteil an Stickoxyd-Emissionen weiter zu senken, was jedoch mit der bekannten Brennkammer nicht möglich ist.

Als Nachteil einer solchen Brennkammer erweist sich der rela tiv große Druckverlust über die Doppelkegelbrenner. Das hat bei erhöhtem Brennstoffbedarf eine Verringerung der Leistung und damit auch des Wirkungsgrades der Gasturbine zur Folge.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Betreiben einer Brennkammer zu schaffen, womit so wohl der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert als auch deren NOx-Emission gesenkt wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren entsprechend Oberbegriff des Anspruchs 1, die Hauptbrenner ausschließlich als Mischer zur Aufbereitung ei nes Brennstoff-Luftgemisches fungieren und auf an sich be kannte Weise von den Pilotbrennern gezündet werden. Die Flam menfronten der Hauptbrenner werden während des Betriebs der Brennkammer ständig durch die Flammenfronten der Pilotbrenner stabilisiert. Dazu wird die Verbrennungsluft mit einer nied rigen Drallzahl in die Hauptbrenner sowie mit einer hohen Drallzahl in die Pilotbrenner eingeleitet.

Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem im fast vollständigen Wegfall der bisher durch die Hauptbrenner her vorgerufenen NOx-Emissionen. Eine solche, nahezu NOx-neutrale Verbrennung kann jedoch erst dann realisiert werden, wenn die Verweildauer des Brennstoff-Luftgemisches in den Hauptbren nern relativ gering ist. Deshalb wird die Drallzahl der in die Hauptbrenner einströmenden Verbrennungsluft so weit her abgesetzt, daß sich kein Vortex-Breakdown mehr ausbilden kann. Damit werden die Hauptbrenner instabil und wirken nur noch als Mischer.

Da die Grenze für die Ausbildung eines Vortex-Breakdown be kanntermassen bei einer Drallzahl von 0,7 liegt, wird die Verbrennungsluft mit einer unter diesem Grenzwert liegenden Drallzahl in die Hauptbrenner und mit einer Drallzahl ober halb des Grenzwertes in die Pilotbrenner eingeleitet. Somit ist eine Zündung der Hauptbrenner weder im Voll- noch im Teillastbetrieb ohne Pilotbrenner möglich. Demgegenüber wer den die Hauptbrenner bei den bisher bekannten Verfahren nur so mager betrieben, daß sie im Vollast-Betrieb nicht verlö schen und im Teillast-Betrieb durch die Pilotbrenner gestützt werden können.

Die erforderliche Verringerung der Drallzahl der Hauptbrenner wird vorteilhaft dadurch erreicht, daß das Verhältnis der Lufteintrittsschlitze zu den Austrittsflächen der Hauptbrenner größer als das entsprechende Verhältnis bei den Pilotbren nern ausgebildet ist. Dazu werden entweder die Luftaustritts schlitze der Hauptbrenner vergrößert oder deren Austritts flächen verkleinert ausgebildet. Das gleiche Ziel wird durch eine Verkleinerung ihrer Öffnungswinkel erreicht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch Erweiterung der Lufteintrittsschlitze der Hauptbrenner eine Verringerung des Druckverlustes erreicht wird. Dadurch kann sowohl die Leistung als auch der Wirkungs grad der Gasturbine erhöht werden.

Infolge der Anordnung von Haupt- und Pilotbrennern in zumin dest zwei Reihen und auf Lücke, läßt sich die Brennkammer besser zünden, ist sicherer im Betrieb und die Temperaturver teilung bei Teillast ist günstiger als bei einer einzigen Brennerreihe.

Indem in jeder Reihe nur baugleiche Doppelkegelbrenner ange ordnet werden, ist eine gute Querzündung der Pilotbrenner ge währleistet. Weist dagegen jede Reihe von Doppelkegelbrennern abwechselnd Haupt- und Pilotbrenner auf, ist eine bessere Pi lotierung der Hauptbrenner und eine homogenere radiale Tempe raturverteilung innerhalb der Brennkammer möglich.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Last mit den nahezu NOx-neutralen Hauptbrennern gefahren und die Flammentempera tur der Pilotbrenner nur so weit angehoben wird, daß die Stabilität der Brennkammer in allen Betriebszuständen gewähr leistet ist.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Brennkammer als Ringbrennkammer ausgebildet und die Doppelke gelbrenner sind in drei Reihen und auf an sich bekannte Weise in einer gemeinsamen vertikalen Ebene kreisförmig angeordnet. Dabei ist eine Reihe Pilotbrenner zwischen zwei Reihen Haupt brenner angeordnet.

Mit dieser Anordnung wird ein besonders günstiges Verhältnis von Pilot- zu Hauptbrennern erreicht, bei dem sich aufgrund der relativ geringen Anzahl von Pilotbrennern die NOx-Emis sionen noch weiter verringern lassen. Sind beide Reihen der Hauptbrenner gemeinsam oder separat zu- bzw. abschaltbar an geordnet, ist es außerdem möglich, das radiale Temperatur profil gezielt zu beeinflussen, so daß die Turbine an den Schaufelenden entsprechend stärker belastet werden kann.

Durch ein Anheben der Flammentemperatur in den Pilotbrennern kann das Löschverhalten der Brennkammer vorteilhaft verbes sert werden, ohne die NOx-Emissionen wesentlich zu erhöhen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand einer Silo- bzw. Ringbrennkammer und einzelner Brenner dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung der mit verschiedenen Dop pelkegelbrennern bestückten Silobrennkammer einer Gasturbine, in Draufsicht;

Fig. 2 Seitenansicht eines als Doppelkegelbrenner ausge bildeten Pilotbrenners, aufgeschnitten und in per spektivischer Darstellung;

Fig. 3 Seitenansicht eines als Doppelkegelbrenner ausge bildeten Hauptbrenners, aufgeschnitten und in per spektivischer Darstellung;

Fig. 4 Schnitt IV-IV von Fig. 2, in vereinfachter schema tischer Darstellung;

Fig. 5 Schnitt V-V von Fig. 3, in vereinfachter schemati scher Darstellung;

Fig. 6 schematische Darstellung eines Ausschnittes der mit verschiedenen Doppelkegelbrennern bestückten Ring brennkammer einer Gasturbine, in Draufsicht;

Fig. 7 schematische Darstellung entsprechend Fig. 6, in einer anderen Ausgestaltungsform;

Fig. 8 schematische Darstellung entsprechend Fig. 6, in einer weiteren Ausgestaltungsform, vergrößert dar gestellt.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind Bauteile der Gasturbine mit Ausnahme der Brennkammer und der Brenner. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeich net.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In der Silo-Brennkammer 1 einer Gasturbine werden mehrere Doppelkegelbrenner als Pilotbrenner 2 bzw. als Hauptbrenner 3 in einer gemeinsamen Ebene kreisförmig angeordnet. Dabei schließt von außen nach innen abwechselnd eine Reihe Pilot brenner 2 an eine Reihe Hauptbrenner 3 an (Fig. 1).

Ein als herkömmlicher Doppelkegelbrenner ausgebildeter Pilot brenner 2 besteht aus zwei halben, hohlen Teilkegelkörpern 4, 5, die seitlich versetzt zueinander, aufeinander liegen (Fig. 2). Die Mittelachsen 6, 7 der Teilkegelkörper 4, 5 sind demzufolge ebenfalls seitlich versetzt zueinander angeordnet (Fig. 4). Auf diese Weise wird auf beiden Seiten des Pilot brenners 2, in spiegelbildlicher Anordnung jeweils ein tan gentialer Lufteintrittsschlitz 8, 9 geschaffen. Durch diese Lufteintrittsschlitze 8, 9 strömt Verbrennungsluft 10 in den Innenraum des Pilotbrenners 2, d. h. in den Kegelhohlraum 11 ein (Fig. 2).

Die beiden Teilkegelkörper 4, 5 besitzen jeweils einen zylin drischen Anfangsteil 12, 13, welche ebenfalls analog der Teil kegelkörper 4, 5 versetzt zueinander angeordnet sind. Somit sind die tangentialen Lufteintrittsschlitze 8, 9 anströmseitig über die gesamte Länge des Pilotbrenners 2 ausgebildet. Im zylindrischen Anfangsteil 12, 13 ist eine Düse 14 angeordnet, deren Brennstoffeindüsung 15 am engsten Querschnitt des durch die zwei Teilkegelkörper 4, 5 gebildeten Kegelhohlraumes 11 erfolgt. Selbstverständlich kann der Pilotbrenner 2 rein ke gelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 12, 13 ausgebildet sein.

An beiden Teilkegelkörpern 4, 5 und dort am äußeren Ende der tangentialen Lufteintrittsschlitze 8, 9 ist jeweils eine Brenn stoffleitung 16, 17 angeordnet. Die Brennstoffleitungen 16, 17 sind mit Öffnungen 18 versehen, durch die der gasförmige Brennstoff 19 in den Kegelhohlraum 11 des Pilotbrenners 2 ge langt. Dabei wird dieser gasförmige Brennstoff 19 der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 8, 9 strömenden Verbren nungsluft 10 zugemischt. Die Zumischung erfolgt im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 8, 9.

Beide Teilkegelkörper 4, 5 besitzen einen flachen Öffnungswin kel 20. Brennraumseitig 21 weist der Pilotbrenner 2 eine kra genförmige, als Verankerung für die Teilkegelkörper 4, 5 die nende Abschlußplatte 22 auf.

Der durch die Düse 14 strömende flüssige Brennstoff 23 wird in einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 11 eingedüst, so daß sich in der Ebene der Austrittsfläche 24 des Pilotbren ners 2 ein möglichst homogener kegeliger Brennstoffspray ein stellt. Dieses kegelige Flüssigbrennstoffprofil 25 wird von der tangential einströmenden, rotierenden Verbrennungsluft 10 umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des flüssigen Brennstoffes 23 fortlaufend durch die eingemischte Verbrennungsluft 10 abgebaut. Die optimale, homogene Brenn stoffkonzentration über den Querschnitt wird im Bereich des Wirbelaufplatzens (Vortex-Breakdown), also im Bereich der Rückströmzone 26 erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 26. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 27 entstehen.

Wird gasförmiger Brennstoff 19 verbrannt, erfolgt dessen Zu mischung zur Verbrennungsluft 10 am äußeren Ende der tangen tialen Lufteintrittsschlitze 8, 9, so daß dort ebenfalls ein Brennstoff-Luftgemisch 28 entsteht.

Als Hauptbrenner 3 werden ebenfalls herkömmliche Doppelkegel brenner angeordnet, deren Teilkegelkörper 4′, 5′ jedoch seit lich weiter versetzt zueinander angeordnet sind als die der Pilotbrenner 2. Somit weisen deren Mittelachsen 6′, 7′ einen größeren seitlichen Abstand voneinander auf als die Mittel achsen 6, 7 der Pilotbrenner 2 (Fig. 4, Fig. 5). Das führt zu einer Vergrößerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 8′, 9′ der Hauptbrenner 3 und daher zu einer Verringerung der Drallzahl der Verbrennungsluft 10′. Auf diese Weise kann sich kein Vortex-Breakdown ausbilden, d. h. der Hauptbrenner 3 wirkt nur noch als Mischer und kann weder allein zünden noch eine stabile Flammenfront 27 aufbauen.

In der Silo-Brennkammer 1 einer Gasturbine wird Verbrennungs luft 10′ mit einer niedrigen Drallzahl in die Hauptbrenner 3 bzw. Verbrennungsluft 10 mit einer hohen Drallzahl in die Pi lotbrenner 2 eingeleitet. Dadurch kann sich in den Pilotbren nern 2 die bereits beschriebene stabile Flammenfront 27 aus bilden. Das Brennstoff-Luftgemisch 25′, 28′ der Hauptbrenner 3 wird durch die benachbarten Pilotbrenner 2 gezündet. Die Flammenfronten 27′ der Hauptbrenner 3 werden während des Be triebs der Silo-Brennkammer 1 ständig durch die Flammenfron ten 27 der Pilotbrenner 2 stabilisiert (Fig. 1 bis 3).

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Brennkammer ei ner Gasturbine als Ringbrennkammer 29 ausgebildet und mit zwei Reihen von Doppelkegelbrennern ausgestattet, die in ei ner gemeinsamen vertikalen Ebene kreisförmig angeordnet sind. Jede Reihe weist ausschließlich baugleiche Doppelkegelbren ner auf, wobei die Reihe der Pilotbrenner 2 außen und die Reihe der Hauptbrenner 3 innen angeordnet ist (Fig. 6). Die beiden Brennerreihen können auch in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, in jeder Reihe von Doppelkegelbrennern sowohl Pilot- 2 als auch Hauptbrenner 3 anzuordnen, wobei diese dann innerhalb der Reihe einander ab wechselnd und bezüglich der jeweils benachbarten Reihe auf Lücke angeordnet sind (Fig. 7).

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Ringbrennkammer 29 einer Gasturbine mit drei Reihen in einer gemeinsamen ver tikalen Ebene kreisförmig angeordneter Doppelkegelbrenner ausgestattet, wobei eine Reihe Pilotbrenner 2 zwischen zwei Reihen Hauptbrenner 3 angeordnet ist (Fig. 8).

Bezugszeichenliste

1 Silo-Brennkammer
2 Pilotbrenner
3 Hauptbrenner
4 Teilkegelkörper
5 Teilkegelkörper
6 Mittelachse
7 Mittelachse
8 Lufteintrittsschlitz, tangential
9 Lufteintrittsschlitz, tangential
10 Verbrennungsluft
11 Kegelhohlraum
12 Anfangsteil, zylindrisches
13 Anfangsteil, zylindrisches
14 Düse
15 Brennstoffeindüsung
16 Brennstoffleitung
17 Brennstoffleitung
18 Öffnung
19 gasförmiger Brennstoff
20 Öffnungswinkel
21 Brennraum
22 Abschlußplatte
23 Brennstoff, flüssig
24 Austrittsfläche
25 Flüssigbrennstoffprofil, Brennstoff-Luftgemisch
26 Rückströmzone
27 Flammenfront
28 Brennstoff-Luftgemisch
29 Ringbrennkammer
4′ Teilkegelkörper
5′ Teilkegelkörper
6′ Mittelachse
7′ Mittelachse
8′ Lufteintrittsschlitz, tangential
9′ Lufteintrittsschlitz, tangential
10′ Verbrennungsluft
19′ gasförmiger Brennstoff
20′ Öffnungswinkel
24′ Austrittsfläche
25′ Brennstoff-Luftgemisch
27′ Flammenfront
28′ Brennstoff-Luftgemisch

Claims

1. Verfahren zum Betreiben der Brennkammer einer Gasturbi ne, mit als Haupt- und Pilotbrenner ausgebildeten Vor mischbrennern, die mit gasförmigen bzw. flüssigen Brenn stoffen betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Hauptbrenner (3) ausschließlich als Mischer zur Aufbereitung eines Brennstoff-Luftgemisches (25′, 28′) fungieren,
a) die Hauptbrenner (3) auf an sich bekannte Weise von den Pilotbrennern (2) gezündet werden und
c) die Flammenfronten (27′) der Hauptbrenner (3) wäh rend des Betriebs der Brennkammer (1, 29) ständig durch die Flammenfronten (27) der Pilotbrenner (2) stabilisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsluft (10′) mit einer niedrigen Drallzahl in die Hauptbrenner (3) und Verbrennungsluft (10) mit einer hohen Drallzahl in die Pilotbrenner (2) eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallzahl der Verbrennungsluft (10′) der Haupt brenner (3) kleiner und die Drallzahl der Verbrennungs luft (10) der Pilotbrenner (2) größer als 0, 7 ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der größte Teil des gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoffes (19, 23) über die Hauptbrenner (3) verbrannt und die Flammentemperatur der Pilotbrenner (2) nur so weit angehoben wird, daß die Stabilität der Brennkammer (1, 29) gewährleistet ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest zwei benachbarte Reihen von Doppelkegelbrennern zusammenwirken.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Reihe von Pilotbrennern (2) mit zwei benachbarten Reihen von Hauptbrennern (3) zusammenwirkt und beide Reihen Hauptbrenner (3) gemeinsam oder separat zu- bzw. abgeschaltet werden können.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrenner (3) mit bis zur Hälfte geringerem Durchsatz als die Pilotbrenner (2) betrieben werden.

8. Brennkammer einer Gasturbine zur Durchführung des Ver fahrens nach Anspruch 1, in der mehrere entsprechend EP-B1-0 321 809 ausgebildete Doppelkegelbrenner angeordnet sind und entweder als Pilot- oder Hauptbrenner fungie ren, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Lufteintrittsschlitze (8′, 9′) zur Austrittsfläche (24′) der Hauptbrenner (3) größer als das entsprechende Ver hältnis bei den Pilotbrennern (2) ausgebildet ist.

9. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteintrittsschlitze (8′, 9′) der Hauptbrenner (3) gegenüber denen der Pilotbrenner (2) vergrößert ausgebildet sind.

10. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsflächen (24′) der Hauptbrenner (3) ge genüber denen der Pilotbrenner (2) verkleinert ausgebil det sind.

11. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungswinkel (20′) der Hauptbrenner (3) klei ner als die Öffnungswinkel (20) der Pilotbrenner (2) ausgebildet sind.

12. Brennkammer nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß Haupt- (3) und Pilotbrenner (2) in zumindest zwei Reihen und jeweils auf Lücke angeordnet sind.

13. Brennkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Reihe nur baugleiche Doppelkegelbrenner angeordnet sind.

14. Brennkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Reihe von Doppelkegelbrennern sowohl Haupt- (3) als auch Pilotbrenner (2) aufweist, welche innerhalb der Reihe abwechselnd angeordnet sind.

15. Brennkammer nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß sie als Ringbrennkammer (29) ausge bildet ist, und die Doppelkegelbrenner in drei Reihen und auf an sich bekannte Weise in einer gemeinsamen ver tikalen Ebene kreisförmig angeordnet sind, wobei eine Reihe Pilotbrenner (2) zwischen zwei Reihen von Haupt brennern (3) angeordnet ist.