DE4419338A1

DE4419338A1 - Gasturbine und Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE4419338A1
Application number: DE4419338A
Authority: DE
Inventors: Yau-Pin Dr Chyou; Thomas Dr Sattelmayer; Peter Dr Senior
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1994-06-03
Filing date: 1994-06-03
Publication date: 1995-12-07
Also published as: GB2289939B; GB9509194D0; US5557918A; GB2289939A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Gasturbinenanlagen mit zwei nacheinan der angeordneten Brennkammern, die mit einer Hoch- bzw. einer Niederdruckturbine verbunden sind.

Stand der Technik

Ein wichtiges Ziel der Entwicklung im Kraftwerksbereich ist die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades. Dieses Ziel kann sowohl bei reinen Gasturbinen-Kraftwerken als auch bei aus Gas- und Dampfturbinen bestehenden, sogenannten Kombikraft werken durch die Verbesserung des thermodynamischen Gasturbi nenprozesses erreicht werden.

Aus der CH-A-273 506 ist eine Gasturbinenanlage bekannt, die im wesentlichen aus einer ersten Brennkammer, einer mit die ser verbundenen Hochdruckturbine, einer stromab angeordneten zweiten Brennkammer und einer mit dieser verbundenen Nieder druckturbine besteht. Die Abgase der ersten Brennkammer wer den, nach ihrer Entspannung in der Hochdruckturbine, in die zweite Brennkammer eingeleitet, dort durch Beimischung von Brennstoff nochmals erhitzt und in der Niederdruckturbine er neut entspannt. Damit wird der thermische Wirkungsgrad oder aber die tatsächliche Kraftabgabe gegenüber Gasturbinen mit nur einer Brennkammer erhöht.

Neuere Entwicklungen gehen jedoch dahin, das Druckverhältnis in der Hochdruckturbine und die Eintrittstemperatur der in die zweite Brennkammer eingeleiteten Abgase über bisher übli che Werte zu erhöhen. Für derartige Belastungen sind die be kannten Anlagen nicht ausgerüstet. Aufgrund der wesentlich höheren Eintrittstemperaturen würde es bei den bisher verwen deten Gasturbinen zu einer deutlichen Steigerung der NOx- Emissionen kommen. Außerdem ist ein entsprechend hoher Rück gewinn an kinetischer Energie der Abgase aus der Hochdruck turbine nicht gewährleistet. Ein weiterer Nachteil solcher Anlagen ist ihre relativ große Baulänge, welche aus der An ordnung der zweiten Brennkammer und der damit verbundenen Niederdruckturbine resultiert. Aufgrund der hohen Geschwin digkeit der in die zweite Brennkammer eingedüsten Abgase er geben sich zudem Probleme bei der Zündung des Brenngemisches.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine für höhere Druck- und Tempe raturverhältnisse geeignete Gasturbine zu schaffen, bei wel cher der thermische Wirkungsgrad verbessert, die Baulänge verringert und die NOx-Produktion minimiert ist. Außerdem soll ein Verfahren zum Betrieb der Gasturbine geschaffen wer den.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, an der Hochdruckturbine ein in einen Abgaskrümmer mündender Diffusor anschließt. In das andere Ende des Abgaskrümmers greift zu mindest eine, im Druckgehäuse der Gasturbine befestigte Brennstofflanze ein. Die zweite Brennkammer ist als Umkehr brennkammer ausgebildet, in welche der Abgaskrümmer mündet. Sie ist über eine Düse mit der Niederdruckturbine verbunden.

Während des Betriebs der Gasturbine wird die Geschwindigkeit der Abgase der ersten Brennkammer nach ihrem Austritt aus der Hochdruckturbine verzögert und ihre Fließrichtung um 180° verändert. Danach wird der Brennstoff in der gleichen Fließ richtung in die Abgase eingedüst und mit ihnen vermischt. Das entstandene Brenngemisch wird in die zweite Brennkammer ein geleitet, dort verwirbelt, gezündet sowie verbrannt und das Abgas schließlich in der Niederdruckturbine entspannt.

Die Vorteile der Erfindung liegen in der relativ schnellen und gleichmäßigen Vormischung des in den Abgaskrümmer einge düsten Brennstoffes mit dem Abgas der ersten Brennkammer und der damit verbundenen NOx-armen Verbrennung des entstandenen Brenngemisches in der zweiten Brennkammer. Eine derart gün stige Vormischung wird erst durch die Kombination des Diffu sors mit dem Abgaskrümmer und die entsprechend gerichtete Eindüsung des Brennstoffes am Ende des Abgaskrümmers ermög licht. Aufgrund der Verwendung einer Umkehrbrennkammer als zweite Brennkammer wird der Gasturbinenrotor und damit die Baulänge der Gasturbine wesentlich verkürzt, was zudem die Rotordynamik verbessert. Außerdem wird in der Umkehrbrennkammer ein Ringwirbel erzeugt, der für längere Aufenthalts zeiten des Brenngemisches in dieser Brennkammer sorgt und so die Verbrennung stabilisiert.

Die Summe der Verbesserungen bei der Vormischung und der Ver brennung in der zweiten Brennkammer hat eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades der Gasturbine zur Folge.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn der Diffusor ein Flächen verhältnis Diffusoraustritt zu Diffusoreintritt von größer/gleich zwei aufweist. Dadurch werden die Abgase der Hoch druckturbine soweit verzögert, daß die Selbstzündung des Brenngemisches in der zweiten Brennkammer problemlos erfolgt. Außerdem kommt es dabei zu einem relativ hohen Rückgewinn an kinetischer Energie der Abgase.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Diffusor leicht gekrümmt ausgebildet ist. Dadurch wird eine besonders wirksame Verzö gerung der von der Hochdruckturbine kommenden Abgase er reicht.

Schließlich ist jede Brennstofflanze im Abgaskrümmer umman telt ausgebildet und der Mantel mit dem Kühlluftsystem des Druckgehäuses der Gasturbine verbunden. Dadurch sind die Brennstofflanzen vor den heißen Abgasen der ersten Brennkam mer geschützt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Gasturbine mit Umkehrbrennkammer und stromauf angeordneter Hochdruck- sowie stromab angeordneter Nieder druckturbine dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Gasturbine, mit gerade ausgebildetem Diffusor;

Fig. 2 einen Längsschnitt des schwach gekrümmt ausgebil deten Diffusors.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Hochdruckverdichter und die erste Brenn kammer sowie das Abgasgehäuse der Gasturbine mit Abgasrohr und Kamin. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Gasturbine 1 weist einen nicht dargestellten Hochdruck verdichter, eine ebenfalls nicht dargestellte erste Brennkam mer, eine mit dieser verbundene Hochdruckturbine 2 und eine zweite, mit einer Niederdruckturbine 3 verbundene Brennkammer 4 auf. An die Hochdruckturbine 2 schließt sich ein in einen Abgaskrümmer 5 mündender, gerade ausgebildeter Diffusor 6 an. In das andere Ende des Abgaskrümmers 5 greifen zwei, im Druckgehäuse 7 der Gasturbine 1 befestigte Brennstofflanzen 8 ein. Die zweite Brennkammer 4 ist als Umkehrbrennkammer aus gebildet, in welche der Abgaskrümmer 5 mündet. An die Umkehr brennkammer 4 schließt sich eine mit der Niederdruckturbine 3 verbundene Düse 9 an (Fig. 1).

Der Diffusor 6 besitzt ein Flächenverhältnis Diffusoraustritt 10 zu Diffusoreintritt 11 von größer als zwei. Beide Brenn stofflanzen 8 sind im Abgaskrümmer 5 ummantelt ausgebildet. Der Mantel 12 ist mit dem Kühlluftsystem 13 des Druckgehäuses 7 der Gasturbine 1 verbunden.

Beim Betrieb der Gasturbine 1 wird die Geschwindigkeit- der Abgase 14 der ersten Brennkammer nach ihrem Austritt aus der Hochdruckturbine 2 im Diffusor 6 verzögert und ihre Fließ richtung im Abgaskrümmer 5 um 180° verändert. Danach wird in der gleichen Fließrichtung Brennstoff 15 in die Abgase 14 eingedüst und mit ihnen vermischt. Das entstandene Brennge misch 16 wird in die Umkehrbrennkammer 4 eingeleitet und da mit die Fließrichtung erneut um 180° verändert. Durch diese Umkehr der Fließrichtung bildet das Brenngemisch 16 einen Ringwirbel 17 aus, welcher die nach der Zündung einsetzende Verbrennung in der Umkehrbrennkammer 4 stabilisiert. Das da bei entstandene Abgas 18 wird in der Niederdruckturbine 3 entspannt.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Diffusor 6 leicht gekrümmt ausgebildet (Fig. 2). Dadurch ist es mög lich, die Geschwindigkeit des Abgases 14 stärker zu verzögern als mit einem gerade ausgebildeten Diffusor 6. Alle weiteren Abläufe erfolgen analog dem ersten Ausführungsbeispiel.

Bezugszeichenliste

1 Gasturbine
2 Hochdruckturbine
3 Niederdruckturbine
4 Brennkammer, Umkehrbrennkammer
5 Abgaskrümmer
6 Diffusor
7 Druckgehäuse
8 Brennstofflanze
9 Düse
10 Diffusoraustritt
11 Diffusoreintritt
12 Mantel
13 Kühlluftsystem
14 Abgas
15 Brennstoff
16 Brenngemisch
17 Ringwirbel
18 Abgas

Claims

1. Gasturbine mit einem Hochdruckverdichter und zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Brennkam mern, wobei die erste Brennkammer mit einer Hoch- und die zweite Brennkammer über eine Düse mit einer Nieder druckturbine verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) an der Hochdruckturbine (2) ein in einen Abgaskrüm mer (5) mündender Diffusor (6) anschließt,
b) in das andere Ende des Abgaskrümmers (5) zumindest eine, im Druckgehäuse (7) der Gasturbine (1) befe stigte, Brennstofflanze (8) eingreift, und
c) die zweite Brennkammer als Umkehrbrennkammer (4) ausgebildet ist, in welche der Abgaskrümmer (5) mündet.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (6) ein Flächenverhältnis Diffusoraustritt (10) zu Diffusoreintritt (11) von größer/gleich zwei aufweist.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (6) gerade ausgebildet ist.

4. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (6) leicht gekrümmt ausgebildet ist.

5. Gasturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß jede Brennstofflanze (8) im Abgaskrümmer (5) ummantelt und der Mantel (12) mit dem Kühlluftsystem (13) des Druckgehäuses (7) der Gasturbine (1) verbunden ist.

6. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine nach Anspruch 1, bei dem

a) die Abgase der ersten Brennkammer nach ihrem Aus tritt aus der Hochdruckturbine in eine zweite Brennkammer eingeleitet werden,
b) den Abgasen der ersten Brennkammer mittels einer Einspritzvorrichtung Brennstoff zugemischt wird,
c) das gebildete Brenngemisch in der zweiten Brennkam mer gezündet, verbrannt und das dabei entstandene Abgas schließlich in der Niederdruckturbine ent spannt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Geschwindigkeit der Abgase (14) der ersten Brennkammer nach ihrem Austritt aus der Hochdruck turbine (2) verzögert und ihre Fließrichtung um 180° verändert wird,
e) danach den Abgasen (14) der ersten Brennkammer in der gleichen, veränderten Fließrichtung Brennstoff (15) zugemischt wird,
f) nach dem Einleiten des entstandenen Brenngemisches (16) in die zweite Brennkammer (4) die Fließrich tung erneut um 180° verändert, dabei ein Ringwirbel (17) erzeugt und das Brenngemisch (16) schließlich verbrannt wird.