-
Hintergrund der Erfindung
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, und insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Kühlsystem für eine Gasturbinen-Brennkammer.
-
2. Beschreibung des Standes
der Technik
-
Im
allgemeinen gibt es zwei Arten von Kühlsystemen für die Wand
einer Gasturbinen-Brennkammer. Eine besteht aus einem Verbund-Luftkühlungssystem,
das sowohl eine Konvektionskühlung als
auch eine Schichtluftkühlung
mittels Luft als Kühlfluid
anwendet, und eine andere ist ein Dampfkühlsystem, das Dampf als Kühlfluid
anwendet. Bei einer konkreten Gasturbine wird eines davon, entweder das
Verbund-Luftkühlungssystem
oder das Dampfkühlsystem
gemäß der Temperatur
des Verbrennungsgases am Einlass der Turbine ausgewählt.
-
1 ist
eine Schnittansicht zur Darstellung eines allgemeinen Aufbaus einer
Gasturbinen-Brennkammer, die ein Verbund-Luftkühlungssystem anwendet.
-
In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1 eine Brennkammer einer Gasturbine insgesamt.
Die Brennkammer 1 besteht aus einem Verbrennungsrohr 5b,
das als Brennkammer zum Verbrennen von aus Brennstoffdüsen 33 eingespritzem
Brennstoff dient, und aus einem Endrohr 5a, welches das
im Verbrennungsrohr erzeugte Verbrennungsgas zur Leitschaufel der
ersten Stufe der Turbine richtet. Das Verbrennungsrohr 5b und
das Endrohr 5a sind als separate Teile gefertigt und zusammengefügt, um eine
Brennkammer 1 zu bilden.
-
In
das Verbrennungsrohr 5b wird aus den Hauptdüsen 33 Brennstoff
als vorgemischtes Luft-Brennstoffgemisch eingespritzt. Das Luft-Brennstoffgemisch
wird durch eine durch eine Pilotdüse 31 gebildete Pilotflamme
gezündet
und erzeugt eine Vorgemischflamme im Verbrennungsrohr.
-
2 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
der Wand des Brennkammerrohrs 5b, bei dem ein herkömmliches
Verbund-Luftkühlungssystem
angewandt wird. Wie aus 2 hervorgeht, wird bei einer konkreten
Gasturbine das Verbrennungsrohr 5b durch Zusammenfügen mehrerer
zylindrischer Hüllen 55 mit
unterschiedlichen Durchmessern gebildet. Die Hüllen bzw. Mäntel 55 sind jeweils
in der Axialrichtung ausgerichtet und werden über abgestufte Durchmesserabschnitte
derselben zusammengefügt.
Jede der Hüllen 55 dient
als strukturelles Element zur Bildung des Verbrennungsrohrs 5b.
Ein wärmeisolierendes
Element 155 ist innerhalb jeder zylindrischen Hülle 55 angeordnet,
um die Hülle
vor der Flamme im Verbrennungsrohr zu schützen, und dadurch eine Beeinträchtigung
der Stärke
bzw. Festigkeit der Hülle
als strukturelles Element zu verhindern.
-
Bei
dem herkömmlichen
Kühlsystem
werden Rippenringe für
die Wärmeisolationselemente 155 verwendet.
Der Rippenring besteht aus einem zylindrischen Element mit zahlreichen
Nuten bzw. Rillen an seiner Außenfläche, die
sich in der Axialrichtung erstrecken. Jeder der Rippenringe 155 wird
durch Anbringen eines seiner Enden an dem Abschnitt geringeren Durchmessers
der entsprechenden Hülle 55 (d.h.
an einem brennstoffdüsenseitigen
Ende der Hülle 55)
beispielsweise durch Hartlöten
innerhalb der Hülle
gehalten.
-
Bei
diesem System wird Druckluft in dem Gehäuse 7 (1)
von Einlassöffnungen 57 eingeleitet, die
um den Abschnitt kleineren Durchmessers der Hülle 55 verteilt sind,
in den Raum zwischen der Hülle 55 und
dem Rippenring 155 eingeleitet. In den Raum eingeleitete
Luft durchströmt
die Axialnuten bzw. -rillen außerhalb
des Rippenrings 155 und kühlt den Rippenring 155 durch
Konvektionskühlung. Nachdem
die Luft durch die Axialnuten geströmt ist, wird sie vom Auslass 159 am
Ende des Rippenrings 155 in der Richtung entlang der Innenfläche des
Wärmeisolationselements
(in 2 durch die Bezugsziffer 155b angegeben)
in dessen Nähe
eingespritzt. Somit wird die Wandoberfläche der Brennkammer, d.h. die
Innenfläche
des benachbarten Rippenrings 155b durch die Schicht eingespritzer
Luft gekühlt.
-
Andererseits
ist 4 eine Schnittansicht ähnlich der Darstellung der 1 einer
Gasturbinen-Brennkammer, die ein herkömmliches Dampf-Konvektions-Kühlsystem
anwendet.
-
Da
der Wärmeübertragungskoeffizient
von Luft relativ klein ist, kann keine ausreichende Kühlung durch
Konvektionskühlung
erhalten werden, weshalb für
gewöhnlich
ein Verbund-Luftkühlungssystem,
das sowohl eine Konvektionskühlung
als auch eine Luftschicht-Kühlung
anwendet, bei dem Luftkühlungssystem
verwendet. Ein Verbund-Luft(kühlungs)system
hat jedoch inhärente Probleme.
Bei dem Verbund-Luftsystem wird zur Schicht-Luftkühlung verwendete
Luft in das Verbrennungsrohr eingespritzt und vermischt sich mit
Verbrennungsgas. Dies bewirkt eine Verdünnung des Verbrennungsgases
und senkt dessen Turbineneinlasstemperatur, und dadurch wird eine
Beeinträchtigung
der Gasturbinen-Leistung
und des Wirkungsgrads verursacht.
-
Um
dieses Problem zu vermeiden, wendet die Brennkammer in 4 ein
Dampfkühlsystem
an, das eine Dampfkonvektionskühlung
statt der Verbund-Luftkühlung
einsetzt. Da der Wärmeübertragungskoeffizient
von Dampf größer ist
als der von Luft, wird die Brennkammer lediglich durch Konvektionskühlung bei
dem Dampfkühlsystem
ausreichend abgekühlt.
-
In 4 bezeichnen
Bezugsziffern, die gleich denen der 1 sind,
Elemente, die ähnlich denjenigen
in 1 sind.
-
Die
Brennkammer in 4 ist ein einteiliger Aufbau,
bei dem das Verbrennungsrohr 5b und das Endrohr 5a als
integraler Teil ausgebildet sind. Daher hat das Verbrennungsrohr 5 in
der Brennkammer 1 in 4 den Auslass 52 an
einem Ende desselben, um der Leitschaufel der ersten Stufe der Turbine
Verbrennungsgas zuzuführen.
-
Das
Verbrennungsrohr 5 in 4 hat einen doppelwandigen
Aufbau mit einer äußeren Hülle (Außenwand)
und einer inneren Hülle
(Innenwand). Der Raum zwischen der äußeren Hülle und der inneren Hülle dient
als Durchgang für Kühldampf.
Der Kühldampf
wird dem Kühldampfdurchgang
zwischen der äußeren und
der inneren Hülle
von einer Dampf-Einlassverbindung 507 aus
zugeführt,
die nahe der Mitte der Länge
des Verbrennungsrohrs 5 angeordnet ist. Der in den Kühldurchgang
eingeleitete Dampf wird in zwei Ströme unterteilt, die in einander
entgegengesetzten Richtungen strömen.
D.h., ein Teil des Kühldampfs
strömt
durch einen stromaufwärtigen
Kühldurchgang
in der Wand des Verbrennungsrohrs 5 von dem Einlass 507 in
der stromaufwärtigen
Richtung (d.h. zu der Seite der Hauptdüse 33 hin), und der
andere Teil des Kühldampfs
strömt
durch einen stromabwärtigen
Kühldurchgang
in der Wand des Verbrennungsrohrs 5 von dem Einlass 507 in
der stromabwärtigen
Richtung (d.h., zu dem Auslass 52 des Verbrennungsrohrs
hin). Kühldampf-Auslassrohre 509a und 509b sind
mit dem Kühldampfdurchgang am
stromaufwärtigen
Ende (der Hauptdüsenseite 33) und
dem stromabwärtigen
Ende (der Auslassseite 52) des Verbrennungsrohrs 5 verbunden,
um Kühldampf
zu sammeln, nachdem dieser die Brennkammerwände gekühlt hat. Da der Wärmeübertragungskoeffizient
von Dampf relativ groß ist,
werden die Wände
der Brennkammer durch Konvektionskühlung mittels Kühldampf
genügend
abgekühlt.
-
Das
herkömmliche
Verbund-Luftkühlungssystem
und das Dampfkühlsystem,
wie sie oben erläutert
wurden, weisen jeweils Nachteile auf.
-
Vor
allem ist bei dem Verbund-Luftkühlungssystem,
das die Rippenringe einsetzt, der Verbrauch von Kühlluft hoch.
-
3 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie IX-IX in 2. Wie schon erklärt wurde,
ist der Rippenring 155 mit Nuten bzw. Rillen versehen,
die sich entlang der Axialrichtung an dessen Außenfläche erstrecken. Wenn der Rippenring 155 an
der Hülle 55 angebracht
wird, muss ein ringförmiger
Zwischenraum 155c zwischen der Hülle 55 und dem Rippenring 155 angeordnet
werden, um einen Kontakt zwischen der Hülle 55 und dem Rippenring
infolge von Wärmedehnung
des Rippenrings zu vermeiden. Wenn die Herstellungstoleranz und
die Toleranz bei Zusammenbau der Brennkammer berücksichtigt werden, wird die
erforderliche Breite des Zwischenraums 155c in einigen
Fällen
fast gleich wie die Tiefe der Nuten bzw. Rillen 155b. Da
bei dem herkömmlichen
Verbund-Luftkühlungssystem
ein relativ großer Zwischenraum 155c zwischen
der Außenfläche des Rippenrings 155b und
der Innenfläche
der Hülle 55 besteht,
durchströmt
eine große
Menge an Kühlluft den
Zwischenraum 155c in der Axialrichtung und strömt in die
Brennkammer, ohne die Nuten bzw. Rillen 155b zu passieren.
Mit anderen Worten strömt ein
großer
Teil der vom Einlass 57 eingeleiteten Kühlluft in die Brennkammer,
ohne zur Kühlung
des Rippenrings 155 eingesetzt zu werden. Infolgedessen muss,
um eine ausreichende Konvektionskühlung des Rippenrings 155 zu
erzielen, die Menge an von dem Einlass 57 zugeführter Kühlluft erhöht werden, so
dass eine ausreichende Luftmenge an den Rillen 155b vorbeiströmt.
-
Ferner
strömt
eine große
Menge an Kühlluft, welche
den ringförmigen
Zwischenraum 155c durchströmt und nicht zur Konvektionskühlung des
Rippenrings 155 beiträgt,
auch in die Brennkammer und verdünnt
das Verbrennungsgas. Daher wird die Senkung der Verbrennungsgastemperatur
infolge des Einleitens von Kühlluft
bei dem herkömmlichen
Verbund-Luftkühlungssystem
groß.
-
Die
Breite des ringförmigen
Zwischenraums 155c kann reduziert werden, wenn die Bearbeitungs- und
Montagetoleranzen der Hülle 55 und
des Rippenrings 155 eng sind. Engere Toleranzen bei der Bearbeitung
und dem Zusammenbau dieser Teile führen jedoch zu einer Kostenerhöhung und
erfordern mehr Zeit zur Fertigung des Verbrennungsrohrs 5.
-
Da
der Rippenring 155 an der Hülle 55 nur an einem
Ende derselben angebracht ist, ist es ferner schwierig, die strukturelle
Festigkeit der Verbrennungsrohranordnung 5 zu verbessern.
-
Andererseits
treten die Probleme wie die bei dem herkömmlichen Verbund-Luftkühlungssystem nach
obiger Erläuterung
bei dem Dampfkühlsystem von 4 nicht
auf. Das Dampfkühlsystem
hat aber auch ein inhärentes
Problem eines starken Verbrauchs von Kühldampf.
-
Wenn
das Dampfkühlsystem
eingesetzt wird, wie in 4 erläutert wird, wird der Kühldampf in
den Kühldurchgang
des Verbrennungsrohrs 5 von dem nahe der Mitte der Länge des
Verbrennungsrohrs angeordneten Dampfeinlass 507 eingeleitet und
durchströmt
den stromaufwärtigen
Kühldurchgang
und den stromabwärtigen
Kühldurchgang
in einander entgegengesetzten Richtungen. Für gewöhnlich wird Kühldampf
sowohl einem stromaufwärtigen
als auch einem stromabwärtigen
Kühldurchgang
bei gleichen Zuführbedingungen
zugeführt.
-
Obwohl
der Kühldampf
bei gleichen Zuführbedingungen
zugeführt
wird, sind die Wärmebelastungen
an dem stromaufwärtigen
Kühldurchgang
und dem stromabwärtigen
Kühldurchgang
nicht die gleichen, wobei für
gewöhnlich
die Wärmebelastung
am stromabwärtigen
Kühldurchgang
größer ist
als die am stromaufwärtigen
Kühldurchgang.
-
Ein
Luft-Brennstoffgemisch wird in das Verbrennungsrohr 5 von
den Hauptdüsen 33 an
dessen stromaufwärtigem
Ende eingespritzt und verbrennt, während es zum Auslass 52 des
Verbrennungsrohrs 5 strömt.
Da die Verbrennung des Luft-Brennstoffgemischs
in der stromaufwärtigen
Hälfte
des Verbrennungsrohrs 5 nicht abgeschlossen ist, ist daher
die Temperatur des Verbrennungsgases in der stromaufwärtigen Hälfte des
Verbrennungsrohrs 5 relativ niedrig. Da andererseits die
Verbrennung des Luft-Brennstoffgemischs in der stromabwärtigen Hälfte des
Verbrennungsrohrs 5 abgeschlossen ist, ist die Temperatur
des Verbrennungsgases in der stromabwärtigen Hälfte des Verbrennungsrohrs 5 höher als
in dessen stromaufwärtiger
Hälfte.
Infolgedessen wird die Hitzebelastung am stromabwärtigen Kühldurchgang größer als
am stromaufwärtigen
Kühldurchgang.
-
Da
die Kühldurchgangs-Zuführbedingungen bei
beiden Kühldurchgängen die
gleichen sind, müssen
aber die Kühldurchgangs-Zuführbedingungen
so angepasst werden, dass sie den Anforderungen des stromabwärtigen Kühldurchgangs
genügen,
an dem die Hitzebelastung bei dem herkömmlichen Dampfkühlsystem
maximal wird. Dies bedeutet, dass die Wand der oberen Hälfte des
Verbrennungsrohrs 5 mehr als nötig gekühlt wird (d.h., es kommt zu
einer exzessiven Kühlung
an der oberen Hälfte
des Verbrennungsrohrs). Daher ist bei dem herkömmlichen Dampfkühlsystem
eine übermäßige Menge
an Kühldampf
erforderlich, um die obere Hälfte
des Verbrennungsrohrs 5 erfolgreich zu kühlen.
-
EP-A-0
624 757 offenbart ein Kühlsystem
für eine
Brennkammer einer Gasturbine, welche eine Luftbeaufschlagungskühlung der äußeren Verkleidung
der Brennkammer, die heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, anwendet.
-
EP-A-0
199 534 offenbart einen Verkleidungsaufbau für eine Gasturbinen-Brennkammer, die ähnlich dem
in 2 offenbarten Aufbau ist.
-
US-A-5
950 417 offenbart ein weiteres Kühlsystem
für eine
Brennkammer einer Gasturbine, bei dem das Brennkammer-Einheitsgehäuse durch
einen in die Verbrennungszone ausgestoßenen verstärkten Luft- und Sauerstoffstrom
gekühlt
wird.
-
Abriss der Erfindung
-
In
Anbetracht der Probleme beim Stand der Technik, wie sie oben dargelegt
wurden, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem für einen
Gasturbinen-Brennkammer
bereitzustellen, das in der Lage ist, den Verbrauch von Kühldampf
zu reduzieren, ohne die Kühlkapazität zu senken.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Kühlsystem
für eine
Brennkammer einer Gasturbine bereitgestellt, wie es in Anspruch
1 definiert ist.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Kühlsystem
für eine
Brennkammer einer Gasturbine bereitgestellt, die Verbrennungsgas
durch Verbrennung von Brennstoff zum Antrieb einer Turbine mit einem
zylindrischen Verbrennungsrohr mit einem Einlassende und einem Auslassende
erzeugt, und in der eine Brennkammer zum Verbrennen von Brennstoff ausgebildet
ist, welcher von deren Einlassende zugeführt wird, und Verbrennungsgas
einer Turbine an dessen Auslassende liefert, mehrere Kühldampfdurchgänge, die
in der Wand des Verbrennungsrohrs ausgebildet sind und sich entlang
der Länge
des Verbrennungsrohrs zwischen dem Einlassende und dem Auslassende
erstrecken, und wobei die Kühldampfdurchgänge erste
Kühldampfdurchgänge aufweisen, in
denen Kühldampf
in einer ersten Richtung strömen kann
sowie zweite Kühldurchgänge, in
denen Kühldampf
in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung strömt.
-
Gemäß der Erfindung
sind zwei Gruppen von Kühldurchgängen, d.h.
die ersten Kühldampfdurchgänge und
die zweiten Kühldampfdurchgänge in der Wand
des Verbrennungsrohrs vorgesehen. In den ersten und zweiten Kühldurchgängen strömt Kühldampf
in einander entgegengesetzten Richtungen. Daher wird der Durchschnitt
der Temperaturen von Kühldampf,
der durch die beiden ersten und zweiten Kühldurchgänge strömt, entlang der Länge des
Verbrennungsrohrs gleichmäßig, und
eine exzessive Abkühlung
des Einlassseitenendes des Verbrennungsrohrs kommt nicht vor. Somit
wird das Verbrennungsrohr in geeigneter Weise mit einer kleineren
Kühldampf
menge gekühlt,
und die Menge an zur Kühlung des
Verbrennungsrohrs erforderlichem Kühldampf kann reduziert werden.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die
vorliegende Erfindung ist aus der nachstehend dargelegten Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen besser verständlich,
in denen zeigen:
-
1 eine
Längsschnittansicht
zur Darstellung eines allgemeinen Aufbaus einer Gasturbinen-Brennkammer,
die ein Verbund-Luftkühlungssystem
anwendet,
-
5 eine
Längsschnittansicht
zur Darstellung eines allgemeinen Aufbaus einer Gasturbinen-Brennkammer
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
-
6A und 6B schematische
Darstellungen der Anordnung von Kühldurchgängen in der Brennkammer in 5,
-
2 eine
vergrößerte Schnittansicht
der Wand einer Gasturbinen-Brennkammer, die ein herkömmliches
Verbund- Luftkühlungssystem
anwendet,
-
3 eine
Schnittansicht längs
einer Linie IX-IX in 2, und
-
4 eine
Längsschnittansicht
einer Gasturbinen-Brennkammer,
die ein herkömmliches Dampfkühlsystem
anwendet.
-
Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
-
Nachstehend
werden Ausführungsformen des
Kühlsystems
der Gasturbinen-Brennkammer gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläutert.
-
1 ist
eine Längsschnittansicht
zur Darstellung eines allgemeinen Aufbaus einer Gasturbinen-Brennkammer
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird ein Verbund-Luftkühlungssystem
für die
Brennkammer verwendet.
-
In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1 eine Brennkammer einer Gasturbine insgesamt.
Die Brennkammer 1 besteht aus einem Brennkammerteil 5 und
einem Düsenteil 3.
Der Düsenteil 3 enthält Brennstoffdüsen zum
Einspritzen von Brennstoff in den Brennkammerteil 5.
-
Bei
dieser Ausführungsform
umfasst der Brennkamerteil 5 ein Verbrennungsrohr 5b,
das als Brennkammer zum Verbrennen von Brennstoff dient, die von
Brennstoffdüsen
eingespritzt werden, und ein Endrohr 5a, welches das in
dem Verbrennungsrohr 5b erzeugte Verbrennungsgas zum Turbineneinlass hin
richtet. Der Verbrennungsteil 5 in dieser Ausführungsform
wird durch Zusammenbau des Verbrennungsrohrs 5b und des
Endrohrs 5a gebildet. Die Brennkammer 1 ist in
einem Turbinengehäuse 7 durch
Halterungen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, festgehalten.
Bei einer konkreten Gasturbine sind mehrere Brennkammern gemäß 1 um
die Turbine herum in einem regelmäßigen Intervall angeordnet,
und jede liefert der Turbine Verbrennungsgas.
-
Verbrennungsluft
(der Pfeil 11 in 1) wird von
der Atmosphäre
durch einen Gasturbinen-Kompressor komprimiert, der von der Turbine
angetrieben wird, und dem Gehäuse 7 zuge führt. Die
Verbrennungsluft tritt in den Düsenteil 3 der
Brennkammer 1 durch Verbrennungsluft-Einlässe 35 ein,
die um den Düsenteil 3 herum
angeordnet sind, und wird in den Verbrennungsteil 5 der
Brennkammer durch eine Pilotdüse 31 und
Hauptdüsen 33 eingespritzt.
-
Der
Düsenteil 3 umfasst
eine zylindrische Hülle,
eine in der Mitte der Hülle
angeordnete Pilotdüse 31 und
mehrere Hauptdüsen 33 (in
dieser Ausführungsform
werden acht Hauptdüsen
verwendet), die in einem regelmäßigen Intervall
um die Pilotdüse 31 herum
angeordnet sind. Die Pilotdüse 31 ist
mit einer Pilot-Brennstoffdüse 31a zum
Einspritzen von Brennstoff in das Verbrennungsrohr 5b versehen.
Der von der Pilot-Brennstoffdüse 31a eingespritzte
Brennstoff wird durch einen Zünder
(in der Zeichnung nicht dargestellt) gezündet, und während er sich durch die Pilotdüse 31 strömender Verbrennungsluft
vermischt, verbrennt er in einem Diffusions-Verbrennungsmodus und bildet eine Pilotflamme.
-
In
diesem Fall sind die Hauptdüsen 33 als Vorgemischdüsen ausgebildet,
welche ein vorgemischtes Luft-Brennstoffgemisch
durch Vermischen von von den Brennstoffdüsen 33 eingespritztem Brennstoff
in Verbrennungsluft in dem Düsenteil 3 gebildet
wird, bevor das vorgemischte Luft-Brennstoffgemisch in das Verbrennungsrohr 5b eingeleitet
wird. Die Hauptdüsen 33 sind
mit Verwirbelungselementen 37 versehen. Die Verwirbelungselemente 37 sind
als Flügel
mit 1uftflügelförmigem (airfoil
shape) Querschnitten ausgebildet, und jedes ist unter einem vorbestimmten
Winkel zu dem Verbrennungsluftstrom in der Düse 33 angeordnet,
um der durch die Düse 33 strömenden Verbrennungsluft
Tangentialgeschwindigkeit zu vermitteln. Daher wird ein Wirbel von
Verbrennungsluft in der Hauptdüse 33 durch
die Verwirbelungselemente 37 gebildet.
-
In
dieser Ausführungsform
wird als Brennstoff ein gasförmiger
Brennstoff, wie z.B. Stadtgas und Erdgas, sowie ein flüssiger Brennstoff,
wie z.B. Schweröl
oder Diesel, als Brennstoff verwendet. Der Brennstoff wird in den
Wirbel der Verbrennungsluft in der Düse 33 von Einspritzlöchern (in
der Zeichnung nicht dargestellt) eingespritzt, die an der Brennstoffdüse 33 stromab
der Verwirbelungselemente 37 angeordnet sind. Daher wird
das Durchmischen des eingespritzten Brennstoffs und der Verbrennungsluft durch
den Verbrennungsluftwirbel gefördert,
und ein gleichmäßiges Vorgemisch
von Luft und Brennstoff wird in der Hauptdüse 33 gebildet.
-
Ein
trichterförmiger
Pilotkonus 36 ist am Auslass der Pilotdüse 31 vorgesehen.
Der Pilotkonus 36 verhindert, dass das von den Hauptdüsen 33 eingespritzte
Luft-Brennstoffgemisch
die Pilotflamme an dem Abschnitt nahe dem Auslass der Hauptdüsen 33 kontaktiert,
um ein sogenanntes "Backfiring" in den Hauptdüsen 33 zu
vermeiden. Eine Düsenerweiterung 34 ist
am Auslass jeder Hauptdüse
vorgesehen, um das Luft-Brennstoffgemisch entlang der Seitenfläche des
Pilotkonus 36 zu leiten.
-
In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 9 ein Luft-Bypassventil. Das Luft-Bypassventil 9 ist
ein Absperrschieber (gate valve), das das Endrohr 5b direkt mit
dem Innern des Gehäuses 7 verbindet.
Das Luft-Bypassventil 9 steuert die Menge an dem Verbrennungsteil 5 von
Düsenabschnitt 3 zuzuführender Verbrennungsluft
gemäß einer
Last der Gasturbine. Wenn beispielsweise die Menge an für die Verbrennung
im Verbrennungsteil 5 erforderlicher Verbrennungsluft (wie
z.B. beim Hochfahren und bei einer Leichtlastfunktion der Gasturbine)
gering ist, wird das Luft-Bypassventil 9 durch
einen Aktuator (nicht gezeigt) geöffnet, um Verbrennungsluft
aus dem Gehäuse 7 direkt
dem Inneren des Endrohrs 5a zuzuführen. Da dies eine Abnahme
der durch die Hauptdüse 33 strömenden Verbrennungsluft
bewirkt, wird ein geeignetes Vorgemisch von Luft und Brennstoff
in der Hauptdüse 33 gebildet.
-
Das
von den Hauptdüsen 33 um
den Pilotkonus 36 herum eingespritzte Luft-Brennstoffgemisch kontaktiert
die durch die Pilotdüse 31 an
der Peripherie des Auslasses des Pilotkonus 36 gebildete
Pilotflamme und wird durch die Pilotflamme gezündet. Daher bildet das Luft-Brennstoffgemisch, das
von den Hauptdüsen 33 eingespritzt
wird, eine Vorgemisch-Verbrennungsflamme
an einem Abschnitt, der ausreichend weit vom Auslass der Hauptdüse 33 entfernt
ist. Die von der vorgemischten Verbrennungsflamme erzeugte Verbrennungsluft
strömt
durch das Endrohr 5a und Einlass-Leitschaufeln (nicht dargestellt),
und strömt
in die Laufschaufeln der Turbine, um diese zu drehen.
-
Der
Aufbau der Brennkammer nach obiger Erläuterung ist grundlegend der
gleiche wie der Aufbau der Brennkammer, die ein herkömmliches
Verbund-Luftkühlungssystem
anwendet.
-
5 ist
eine Längsschnittansicht ähnlich der 1,
die eine Gasturbinen-Brennkammer gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform
wird die Kühlung
der Brennkammer mittels Kühldampf
durchgeführt.
-
In 5 bezeichnen
die gleichen Bezugsziffern wie in 1 ähnliche
Elemente wie in 1.
-
Bei
dieser Ausführungsform
ist der Aufbau der Brennkammer zu demjenigen der 1 insofern unterschiedlich,
als der Verbrennungsabschnitt 5 der Brennkammer 1 ein
einteiliger Aufbau ist, bei dem das Verbrennungsrohr 5b und
das Endrohr 5a als integraler Teil ausgebildet sind. Daher
wird der Verbrennungsteil 5 in dieser Ausführungsform
als Verbrennungsrohr 5 bezeichnet.
-
In
dieser Ausführungsform
wird ähnlich
der Brennkammer in 10 die Wand des
Verbrennungsrohrs 5 durch Kühldampf entlang der gesamten Länge des
Verbrennungsrohrs gekühlt.
-
Obwohl
Kühldampf
am Mittelabschnitt der Brennkammer in 1 zugeführt wird
(d.h., dem Abschnitt, an dem das Verbrennungsrohr 5b und
das Endrohr 5a in 1 zusammengefügt sind)
und in zwei Strömungen
von Kühldampf
unterteilt ist (d.h., eine Strömung
stromaufwärts
und eine Strömung stromabwärts), sind
aber bei dieser Ausführungsform ein
Paar Kühldampf-Einlassrohre 511, 513 und
ein Paar Kühldampf-Auslassrohre 515, 517 mit
dem Verbrennungsrohr 5 verbunden. D.h., das Kühldampf-Einlassrohr 511 und
das Auslassrohr 515 sind mit der Wand des Verbrennungsrohrs 5 am
Auslassende (dem Turbinenende desselben) verbunden, und das Kühldampf-Einlassrohr 513 und
das Auslassrohr 517 sind mit der Wand des Verbrennungsrohrs 5 an
dessen Einlassende (dem Ende der Haupt-Brennstoffdüsenseite)
verbunden.
-
In
dieser Ausführungsform
sind zwei Gruppen von Kühldurchgängen, d.h.
ein erster Kühldurchgang 523,
der mit dem Einlassrohr 511 und dem Auslassrohr 517 verbunden
ist, und ein zweiter Kühldurchgang 521,
der mit dem Einlassrohr 513 und dem Auslassrohr 515 verbunden
ist, innerhalb der Wand des Verbrennungsrohrs 5 ausgebildet.
Kühldampf
strömt
durch die ersten Kühldurchgänge 523 stromaufwärts (d.h.,
von der Auslassseite zur Einlassseite des Verbrennungsrohrs 5)
und stromabwärts
(d.h. von der Einlassseite zur Auslassseite des Verbrennungsrohrs 5).
-
6A und 6B zeigen
schematisch die Anordnung der ersten Kühldurchgänge 523 und der zweiten
Kühldurchgänge 521 in
der Wand des Verbrennungsrohrs 5. 6A zeigt
die Anordnung der Durchgänge
entlang dem Umfang des Verbrennungsrohrs 5 an dessen Auslassabschnitt 52.
Wie in 6A gezeigt ist, sind die ersten
Kühldurchgänge 523 und
die zweiten Kühldurchgänge 521 alternierend
um den Umfang des Verbrennungsrohrs 5 herum angeordnet. 6B ist
eine Schnittansicht längs der
Linie "B-B" in 6A.
Wie in 6B gezeigt ist, sind ein ringförmiger Dampfeinlassverteiler 513a,
der die zweiten Kühldurchgänge 521 mit
dem Dampfeinlassrohr 513 verbindet, und ein ringförmiger Dampfauslassverteiler 517a,
der die ersten Kühldurchgänge 523 mit
dem Dampfauslassrohr 517 verbindet, um den Auslassabschnitt 52 des
Verbrennungsrohrs 5 herum ausgebildet. Obwohl dies in der
Zeichnung nicht gezeigt ist, sind ein ringförmiger Dampfeinlassverteiler 511a und
ein ringförmiger
Dampfauslassverteiler 515a um den Einlassabschnitt des
Verbrennungsrohrs 5 herum ausgebildet. Die Anordnung der Dampfverteiler
am Einlass des Verbrennungsrohrs 5 ist ähnlich den Dampfverteilern
in 6A und 6B. Der
ringförmige
Einlassverteiler 511a verbindet die ersten Kühldurchgänge 523 mit
dem Dampfeinlassrohr 511, und ein ringförmiger Dampfauslassverteiler 515a verbindet
die ersten Kühldurchgänge 523 mit
dem Dampfauslassrohr 515.
-
In
dieser Ausführungsform
sind die Strömungsraten
von Kühldampf
in den ersten und zweiten Kühldurchgängen 523,521 so
eingestellt, dass die Einlassdampftemperaturen in den Einlassverteilern 511a und 513a die
gleichen sind, und auch die Auslassdampftemperaturen in den Auslassverteilern 515a und 517a die
gleichen sind. Beispielsweise wird die Dampftemperatur in den Einlassverteilern 511a und 513a (d.h.,
die Dampftemperatur am Einlass der Kühldurchgänge 521 und 523)
auf etwa 300°C
eingestellt, und die Dampftemperatur in den Auslassverteilern 515a und 517a (d.h.
die Dampftemperatur am Auslass der Kühldurchgänge 521 und 523)
wird auf etwa 600°C
eingestellt.
-
Daher
werden die durchschnittlichen Temperaturen des durch die Kühldurchgänge 521 und 523 strömenden Dampfes
entlang der Länge
der Kühldurchgänge 521 und 523 annähernd gleichmäßig.
-
Wie
vorher erläutert
wurde, verbrennt in das Verbrennungsrohr 5 eingespritzter
Brennstoff, während
er durch das Verbrennungsrohr 5 strömt. Daher ist die Temperatur
des Verbrennungsgases entlang der Achse des Verbrennungsrohrs 5 nicht
gleichmäßig. D.h.,
die Temperatur des Verbrennungsgases ist an der Einlassseite des
Verbrennungsrohrs 5 relativ niedrig und an der Auslassseite
des Verbrennungsrohrs 5 relativ hoch. Andererseits ändert sich
die Wandtemperatur des Verbrennungsrohrs 5 (die Metalltemperatur)
gemäß der Dampftemperatur
in den Kühldurchgängen). Genauer
gesagt ist unabhängig von
der Verbrennungsgastemperatur im Verbrennungsrohr 5 die
Differenz zwischen der Metalltemperatur des Verbrennungsrohrs 5 und
der Dampftemperatur in den Kühldurchgängen fast
konstant. Da bei dieser Ausführungsform,
wie weiter oben erklärt
wurde, der Kühldampf
in den Kühldurchgängen 521 und 523 in
einander entgegengesetzten Richtungen strömt, wird die durchschnittliche
Dampftemperatur in den Kühldurchgängen 521 und 523 annähernd konstant
entlang der Länge
des Verbrennungsrohrs 5. Daher wird auch die Metalltemperatur
des Verbrennungsrohrs 5 annähernd konstant entlang der Länge des
Verbrennungsrohrs 5 und da die exzessive Kühlung der
Wand des Verbrennungsrohrs nicht auftritt, kann der Verbrauch des
Kühldampfs
bei der vorliegenden Ausführungsform
reduziert werden.