DE60111682T2

DE60111682T2 - Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE60111682T2
Application number: DE60111682T
Authority: DE
Inventors: Koichi Takasago-shi Nishida; Katsunori Takasago-shi TANAKA; Shigemi Takasago-shi Mandai; Yutaka Takasago-shi Kawata; Masataka Takasago-shi Ohta
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2021-04-06
Also published as: JP2001324144A; CA2341844C; EP1156281B1; EP1156281A3; US20010042375A1; JP3860952B2; CA2341844A1; DE60111682D1; EP1156281A2; EP1156281A9; US6460339B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinen-Brennkammer und insbesondere auf eine Mehrdüsen-Vorgeschmisch-Brennkammer.
Beschreibung des Standes der Technik
In jüngster Zeit zieht die Gasturbinen-Brennkammer, beispielsweise die Dampfkühlungs-Brennkammer, die in der Lage ist, ein niedriges NO_x auch bei der Gasturbine der 1500°C-Klasse zu realisieren, viel Aufmerksamkeit auf sich. Das heißt, durch Kühlen der Brennkammerwand durch Dampf kann die bisher zur Kühlung der Wand eingesetzte Luft für die Verbrennung verwendet werden, und die Vorgemisch-Verbrennungstemperatur wird trotz der Temperaturerhöhung in der Gasturbine auf ein Niveau der luftgekühlten Brennkammer gesenkt, so dass ein niedriges NO_x realisiert wird.
Eine solche dampfgekühlte Brennkammer, ein herkömmliches Beispiel einer Mehrdüsen-Vorgemischbrennkammer, wie sie in 5 gezeigt ist, ist bekannt, wobei ein äußeres Düsenrohr 7 zum Bilden und Einspritzen eines Vorgemischgases eines Hauptbrennstoffes von einer Hauptbrennstoffdüse 5 und einer Verbrennungsluft von einem Hauptverwirbelungselement 6 unterteilt und in mehrere Abschnitte um einen Konus 4 herum angeordnet wird, um eine Diffusionsflamme durch Reaktion zwischen dem Pilotbrennstoff von einer Pilotbrennstoffdüse 2 und von Verbrennungsluft von einem Pilot-Verwirbelungselement 3 zu bilden, das im Zentrum des Abschnitts eines Brennkammer-Innenrohrs 1 angeordnet ist.
Bei der Hauptbrennstoffdüse 5 gemäß 4 wird der Brennstoff von mehreren Düsenlöchern 5a (etwa 1,0 mm Durchmesser) in die Düsen-Hauptkörperwand münden gelassen und wird mit der in dem äußeren Düsenrohr strömenden Luft durch das Hauptverwirbelungselement 6 vermischt, wodurch ein Vorgemischgas gebildet wird. Eine Brennkammer dieser Art ist in EP-A-0935095 offenbart.
In 4 und 5 zeigt der Pfeil die Strömung von Brennstoff und Luft.
Da bei einer solchen herkömmlichen Mehrdüsen-Vorgemisch-Brennkammer gemäß 3 aber die Düsenlöcher 5a der Hauptbrennstoffdüse 5 an drei Positionen am Außenumfang des Brennkammer-Innenrohrs 1 ausgebildet sind, sowie an zwei Positionen an der Innenseite, nimmt die Brennstoffverteilung zum Außenumfang hin zu und kann auf ein sich elliptisch erstreckendes Rohr 7a (das zur Verhinderung eines sogenannten Back-fire durch Anheben der Gasströmungsgeschwindigkeit vorgesehen ist) infolge der Umfangsströmung durch die Wirbelströmung mittels des Verwirbelungselements auftreffen und mit der Wand des Brennkammer-Innenrohrs 1 kollidieren (sh. Pfeil in 3).
Infolgedessen können sich Brennstoff-Flüssigkeitströpfchen an der Wand des Brennkammer-Innenrohrs 1 ablagern (sh. Schraffierung (b) in 3), und der Innendruck fluktuiert und beeinträchtigt dabei die Stabilität der Verbrennung, oder die Metalltemperatur wird durch Selbstzündung angehoben, wodurch die Wand des Brennkammer-Innenrohrs 1 zerbricht (sh. unterbrochener Teil (a) in 3).
ABRISS DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist in Anbetracht eines solchen Hintergrundes getätigt worden, und es ist folglich eine Aufgabe derselben, eine Gasturbinen-Brennkammer bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Brennstoffverteilung von der Hauptbrennstoffdüse zu verbessern, eine interne Druckfluktuation sowie eine Zunahme der Innenrohr-Metalltemperatur zu unterdrücken und eine stabile Verbrennung und eine Verbesserung der Standzeit der Brennkammer zu realisieren.
Um die Aufgabe zu erfüllen, ist die Gasturbinen-Brennkammer der Erfindung eine Gasturbinen-Brennkammer, die in einer Gasturbine mit einer Mehrfachdüsen-Vorgemischbrennkammer mit einem äußeren Düsenrohr zum Bilden und Einspritzen eines Vorgemischgases aus Hauptbrennstoff und Verbrennungsluft verwendet wird, das unterteilt und in mehreren Abschnitten um einen in einer Mitte eines Abschnitts eines inneren Brennkammerrohrs angeordneten Konus zum Bilden einer Diffusionsflamme durch Reaktion zwischen einem Pilotbrennstoff und Verbrennungsluft angeordnet ist, wobei Düsenlöcher einer Hauptbrennstoffdüse zum Einspritzen des Hauptbrennstoffs mehr an der Innenseite als am Außenumfang des inneren Brennkammerrohrs in der Düsen-Hauptkörperwand münden und so ausgebildet sind, dass die Brennstoffverteilung zum Außenumfang hin abnimmt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine allgemeine Vorderansicht einer Gasturbinen-Brennkammer zur Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Seitenschnittansicht von deren Hauptbrennstoffdüse,
3 eine allgemeine Vorderansicht einer herkömmlichen Gasturbinen-Brennkammer,
4 eine Seitenschnittansicht von deren Hauptbrennstoffdüse und
5 eine allgemeine Aufbauansicht einer Mehrdüsen-Vorgemischbrennkammer derselben.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nachstehend wird eine Gasturbinen-Brennkammer der Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform derselben im Zusammenhang mit den dazugehörigen Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine allgemeine Vorderansicht einer Gasturbinen-Brennkammer zur Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, und 2 ist eine Seitenschnittansicht von deren Hauptbrennstoffdüse. Der gesamte Aufbau der Brennkammer ist in 5 gezeigt, und eine detaillierte Beschreibung fällt weg.
Wie in 2 gezeigt ist, ist eine Hauptbrennstoffdüse 5 in der Mitte des Abschnitts eines äußeren Düsenrohrs 7 angeordnet, und ein Hauptverwirbelungselement 6 ist in einem peripheren Zwischenraum zwischen dem Außenumfang des Düsen-Hauptkörpers seiner Hauptbrennstoffdüse 5 und dem Innenumfang des äußeren Düsenrohrs 7 angeordnet, und insofern ist der Aufbau der gleiche wie der in 4 gezeigte.
In dieser Ausführungsform gemäß 1 wird der Brennstoff in der Hauptbrennstoffdüse 5 aus drei Düsenlöchern 5a (etwa 1,3 mm Durchmesser bei dieser Ausführungsform) eingespritzt, die in die Düsen-Hauptkörperwand münden, und wird mit der um den Düsen-Außenumfang durch das Hauptverwirbelungselement 6 strömenden Luft vermischt, so dass ein Vorgemischgas gebildet wird.
In dem dargestellten Beispiel sind die drei Düsenlöcher 5a in Intervallen von 120° angeordnet und eine davon ist an der Außenseite des Brennkammer-Innenrohrs 1 auf einer diametralen Linie angeordnet, welche die Mitte des Brennkammer-Innenrohrs 1 und die Mitte der Hauptbrennstoffdüse 5 verbindet. Diese Düsenlöcher 5a münden mit einer Neigung von etwa 20° zu der stromabwärtigen Seite der Gasströmung.
Bei einer solchen Konfiguration ist in der Hauptbrennstoffdüse 5 ein Düsenloch 5a an der Außenseite des Brennkammer-Innenrohrs 1 und 2 an deren Innenseite angeordnet, so dass die Brennstoffverteilung von der Innenseite zur Außenseite hin zunimmt. Demgemäß wird eine Wirbelströmung eines in geeigneter Weise gemischten Vorgemischgases erhalten, wodurch eine Kollision mit der Wand des Brennkammer-Innenrohrs 1 des entflammbaren Vorgemischgases infolge eines Aufpralls auf das sich elliptisch erstreckende Rohr 7a durch die periphere Strömung der Wirbelströmung des Hauptverwirbelungselements 6, wie es im Stand der Technik der Fall ist, vermieden wird.
Infolgedessen wird ein stabiler Verbrennungszustand erreicht, wodurch ein Verlust an Verbrennungsstabilität infolge von flüssigen Brennstofftröpfchen, die an der Wandoberfläche des Brennkammer-Innenrohrs 1 anhaften, um interne Druckfluktuationen oder ein Brennen der Wand des Brennkammer-Innenrohrs 1 infolge einer Erhöhung der Metalltemperatur durch Selbstzündung zu induzieren, vermieden wird.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt, sondern kann in der Anzahl von Düsenlöchern, Öffnungspositionen und weiteren Einzelheiten geändert und modifiziert werden, solange nicht vom Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird, wie er durch die Ansprüche definiert ist.
Wie im einzelnen in der Ausführungsform beschrieben wird, ist die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine Gasturbinen-Brennkammer, die bei einer Gasturbine mit einer Mehrdüsen-Vorgemischbrennkammer mit einem äußeren Düsenrohr zum Bilden und Einspritzen eines Vorgemischgases aus Hauptbrennstoff und Verbrennungsluft verwendet wird, das unterteilt und in mehreren Abschnitten um einen in einer Mitte eines Abschnitts eines inneren Brennkammerrohrs angeordneten Konus zum Bilden einer Diffusionsflamme durch Reaktion zwischen einem Pilotbrennstoff und Verbrennungsluft angeordnet ist, wobei Düsenlöcher einer Hauptbrennstoffdüse zum Einspritzen des Hauptbrennstoffs mehr an der Innenseite als am Außenumfang des inneren Brennkammerrohrs 1 in die Düsen-Hauptkörperwand münden, wobei die Brennstoffverteilung zum Außenumfang hin zunimmt und daher die Brennstoffverteilung von der Hauptbrennstoffdüse verbessert wird, Fluktuationen des Innendrucks und eine Erhöhung der Innenrohr-Metalltemperatur unterdrückt werden und folglich die Stabilität der Verbrennung verbessert und die Betriebsdauer der Brennkammer verlängert werden.
Ferner sind bei der Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt die Düsenlöcher an drei Positionen mit annähernd gleichen Intervallen an der Düsen-Hauptkörperwand ausgebildet, und eine davon ist am Außenumfang des inneren Brennkammerrohrs an der diametralen Linie angeordnet, die eine Verbindung zwischen der Mitte des inneren Brennkammerrohrs und der Mitte der Hauptbrennstoffdüse herstellt, womit die gleiche Wirkung und der gleiche Einfluss wie bei der Erfindung gemäß einem ersten Aspekt erzielt werden.

Claims

Gasturbinen-Brennkammer für einen Gasturbinentriebwerk, wobei die Brennkammer eine Mehrdüsen-Vorgemisch-Brennkammer mit einem äußeren Düsenrohr (7) zum Bilden und Einspritzen eines Vorgemisch-Gases aus Hauptbrennstoff und Verbrennungsluft ist, das unterteilt und in mehreren Abschnitten um einen in einer Mitte eines Abschnitts eines inneren Brennkammerrohrs (1) angeordneten Konus (4) zum Bilden einer Diffusionsflamme durch Reaktion zwischen einem Pilotbrennstoff und Verbrennungsluft angeordnet ist, wobei Düsenlöcher (5a) einer Hauptbrennstoffdüse (5) zum Einspritzen des Hauptbrennstoffs mehr an der Innenseite als am Außenumfang des inneren Brennkammerrohrs (1) in der Düsen-Hauptkörperwand münden und so ausgebildet sind, dass während des Betriebs die Brennstoffverteilung zum Außenumfang des inneren Brennkammerrohrs (1) hin abnimmt.
Gasturbinen-Brennkammer nach Anspruch 1, wobei die Düsenlöcher (5a) in ungeradzahligen Positionen mit annähernd gleichen Intervallen an der Düsen-Hauptkörperwand ausgebildet sind, und eines davon am Außenumfang des inneren Brennkammerrohrs (1) auf der diametralen Linie angeordnet ist, die eine Verbindung zwischen der Mitte des inneren Brennkammerrohrs (1) und der Mitte der Hauptbrennstoffdüse (5) herstellt.
Gasturbinen-Brennkammer nach Anspruch 2, wobei die Düsenlöcher (5a) in drei Positionen mit annähernd gleichen Intervallen an der Düsen-Hauptkörperwand ausgebildet sind, und eine davon am Außenumfang des inneren Brennkammerrohrs (1) an der diametralen Linie angeordnet ist, die eine Verbindung zwischen der Mitte des inneren Brennkammerrohrs (1) und der Mitte der Hauptbrennstoffdüse (5) herstellt.