DE60216206T2

DE60216206T2 - Gasturbinenbrenner und Betriebsverfahren dafür

Info

Publication number: DE60216206T2
Application number: DE60216206T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hitachinaka-shi Inoue; Tomomi Hitachi-shi Koganezawa; Nariyoshi Hitachinaka-shi Kobayashi; Isao Hitachi-shi Takehara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: EP1684016A1; US20040011054A1; US7117677B2; EP1843099B1; CN1157563C; EP1843099A3; US20050000222A1; JP4998581B2; DE60216206D1; US6813889B2; EP1843099A2; JP2009079893A; EP1288575B1; US20040163393A1; EP1288575A2; US6912854B2; US7313919B2; US20040045297A1; EP1684016B1; EP1288575A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenbrenner sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.
Beschreibung des Stand der Technik
Die Erfindung betrifft speziell einen Gasturbinenbrenner vom Typ mit niedrigem NO_x-Ausstoß, der geringe Mengen an Stickoxiden ausstößt. Der Stand der Technik ist in der Japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. Hei 05-172331 offenbart.
Bei einem Gasturbinenbrenner wurde in weiter Verbreitung, da der Arbeitsbereich vom Starten bis zum Nennlastzustand groß ist, ein Diffusionsverbrennungssystem, bei dem direkt Brennstoff in eine Brennkammer injiziert wurde, verwendet, um Verbrennungsstabilität in einem großen Bereich zu gewährleisten. Auch wurde ein Verbrennungssystem mit Vormischung verfügbar gemacht.
Bei dieser Technologie gemäß dem Stand der Technik besteht bei einem Diffusionsverbrennungssystem ein Problem eines hohen Pegels an NO_x. Ein Verbrennungssystem mit Vormischung zeigt auch Probleme hinsichtlich der Verbrennungsstabilität, wie ein Zurückschlagen, und bei der Flammenstabilisierung während des Startbetriebs und eines Teillastbetriebs. Beim tatsächlichen Betrieb ist es bevorzugt, diese Probleme gleichzeitig zu lösen.
DE 1 223 197 B offenbart einen Gasturbinenbrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ähnliche Brenner sind in US 5,241,818 und EP 1 286 111 A2 beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasturbinenbrenner und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen, mit denen ein niedriger Pegel an NO_x-Emissionen und gute Verbrennungsstabilität erzielt werden können.
Die Aufgabe ist durch den im Anspruch 1 definierten Gasturbinenbrenner und das im Anspruch 5 definierte Verfahren gelöst.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, zur Erläuterungszwecken, das eine allgemeine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist eine Schnittansicht, zu Erläuterungszwecken, eines Diffusionsverbrennungssystems.
3 ist eine Schnittansicht, zu Erläuterungszwecken, eines Verbrennungssystems mit Vormischung.
4(a) ist eine Schnittansicht eines Düsenabschnitts einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
4(b) ist eine Seitenansicht der 4(a).
5(a), 6(a), 7(a), 8(a) und 9(a) sind Schnittansichten eines anderen Düsenabschnitts, wobei nicht alle Merkmale der Erfindung dargestellt sind.
5(b), 6(b), 7(b), 8(b) und 9(b) sind Ansichten zu den 5(a), 6(a), 7(a), 8(a) bzw. 9(a).
10 ist eine Schnittansicht, zur detaillierten Erläuterung, eines Düsenabschnitts einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
11 ist eine Schnittansicht, zur detaillierten Erläuterung, eines anderen Düsenabschnitts.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Als Erstes werden zwei Arten von Verbrennungssystemen für einen Gasturbinenbrenner beschrieben.
(1) Bei einem Diffusionsverbrennungssystem, wie es in der 2 dargestellt ist, wird Brennstoff außerhalb, in der Nähe des Auslasses eines am Brennerkopfabschnitt angeordneten Luftverwirblers so injiziert, dass er eine Verwirbelungsluftströmung schneidet, wodurch eine auf der Mittelachse zirkulierende Strömung erzeugt wird, wodurch eine Diffusionsflamme stabilisiert wird.
Gemäß der 2 läuft von einem Kompressor 10 gelieferte Luft 50 zwischen einem Außenmantel 2 und einer Brennerauskleidung 3 hindurch, und ein Teil derselben strömt als Verdünnungsluft 32, die die Mischung von Kühlluft 31 und Verbrennungsgas in der Brennerauskleidung fördert, in eine Brennkammer 1, während ein anderer Teil der Luft durch den Luftverwirbler 12 als Verwirbelungsluft 49 vom Kopfabschnitt in die Brennkammer 1 strömt. Gasförmiger Brennstoff 16 wird außerhalb von einer Diffusionsbrennstoffdüse 13 so in die Brennkammer 1 injiziert, dass er die Verwirbelungsluftströmung schneidet und gemeinsam mit der Verwirbelungsluft 29 des Kopfabschnitts eine stabile Diffusionsflamme 4 bildet. Erzeugtes Verbrennungsgas auf hoher Temperatur strömt in eine Turbine 18, verrichtet seine Arbeit und wird dann ausgeblasen.
Das hier dargestellte Diffusionsverbrennungssystem verfügt über hohe Verbrennungsstabilität, während eine Flamme in einem Bereich ausgebildet wird, in dem Brennstoff und Sauerstoff den stöchiometrischen Zustand erreichen, was dafür sorgt, dass die Flammentemperatur bis nahe an die adiabatische Flammentemperatur ansteigt. Da die Rate der Stickoxidbildung im Wesentlichen mit ansteigender Flammentemperatur zunimmt, emittiert eine Diffusionsverbrennung im Allgemeinen hohe Pegel an Stickoxiden, was aus dem Gesichtspunkt einer Luftverschmutzungskontrolle nicht wünschenswert ist.
(2) Andererseits wird das Verbrennungssystem mit Vormischung zum Absenken des NO_x-Pegels verwendet. Die 3 zeigt ein Beispiel, bei dem der zentrale Abschnitt eine Diffusionsverbrennung mit guter Verbrennungsstabilität verwendet und die Außenumfangsseite Verbrennung mit Vormischung mit niedriger NO_x-Emission zum Absenken des NO_x-Pegels verwendet. In der 3 läuft von einem Kompressor 10 gelieferte Luft 50 zwischen einem Außenmantel 2 und einer Brennerauskleidung 3 hindurch, und ein Teil der Luft strömt als Kühlluft 31 für die Brennerauskleidung und Verbrennungsgas in dieser in eine Brennkammer 1, und ein anderer Teil der Luft strömt als vorgemischte Verbrennungsluft 48 in eine Vormischkammer 23. Die restliche Luft strömt in die Brennkammer 1, wobei sie durch einen Takt zwischen dem Vormischkammertrakt und der Brennerendplatte und dann durch eine Verbrennungsluftöffnung 14 und eine Kühlluftöffnung 17 strömt. Gasförmiger Brennstoff 16 für Diffusionsverbrennung wird durch eine Diffusionsbrennstoffdüse 13 in die Brennkammer 1 injiziert, um eine stabile Diffusionsflamme 4 zu bilden. Vorgemischter gasförmiger Brennstoff 21 wird durch eine Brennstoffdüse 8 in die ringförmige Vormischkammer 23 injiziert, wobei er mit Luft gemischt wird, um zu einem vorgemischten Luft-Brennstoff-Gemisch 22 zu werden. Dieses vorgemischte Luft-Brennstoff-Gemisch 22 strömt in die Brennkammer 1, um eine Vorgemischflamme 5 zu bilden. Erzeugtes Verbrennungsgas hoher Temperatur wird an eine Turbine 18 geliefert, verrichtet seine Arbeit und wird dann ausgeblasen.
Wenn jedoch ein derartiges Verbrennungssystem mit Vormischung verwendet wird, können vorhandene Instabilitätsfaktoren, wie sie für Vormischverbrennung spezifisch sind, dafür sorgen, dass eine Flamme in die Vormischkammer eindringt und die Konstruktion verbrennt, oder dass es zu dem kommt, was als das Auftreten eines Rückschlageftekts bezeichnet wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind ein Brennstoffstrahlkanal und ein Verbrennungsluft-Strömungskanal auf derselben Achse angeordnet, um einen koaxialen Strahl zu bilden, in dem die Luftströmung die Brennstoffströmung umgibt, und sie sind auch an der Wandfläche der Brennkammer angeordnet, um koaxiale Mehrlochstrahlen zu bilden, die so angeordnet sind, dass eine große Anzahl koaxialer Strahlen verteilt werden kann. Ferner ist diese Ausführungsform so aufgebaut, dass ein Teil der koaxialen Strahlen oder alle mit einem geeigneten Verwirbelungswinkel um die Brennerachse strömen kann. Ferner ist sie so aufgebaut, dass das Brennstoffversorgungssystem in mehrere Abschnitte unterteilt ist, so dass Brennstoff während des Gasturbinen-Startbetriebs und im Teillastbetrieb nur an einen Teil des Systems geliefert werden kann.
Der Brennstoff strömt in Form eines koaxialen Strahls, bei dem die Luftströmung den Brennstoff umhüllt, in die Brennkammer, er wird mit einer umgebenden, koaxialen Luftströmung gemischt, um zu einem vorgemischten Luft-Brennstoff-Gemisch mit geeignetem stöchiometrischen Mischungsverhältnis zu werden, und dann gelangt er mit einem Gas auf hoher Temperatur in Kontakt und beginnt zu brennen. Demgemäß ist eine Verbrennung mit wenig NO_x möglich, die einer mageren Verbrennung mit Vormischung entspricht. Dabei ist der Abschnitt, der einem Vormischrohr eines herkömmlichen Brenners mit Vormischung entspricht, extrem kurz, und die Brennstoffkonzentration wird in der Nähe der Wandfläche beinahe Null, was die Möglichkeit sehr gering hält, dass es zu einem durch einen Rückschlag verursachten Ausbrennen kommt.
Ferner ist es durch Anbringen einer Anordnung in solcher Weise, dass ein Teil der koaxialen Strahlen, oder alle, mit einem geeigneten Verwirbelungswinkel um die Brennerachse strömt, trotz der Form der Strömung des koaxialen Strahls möglich, gleichzeitig eine Umwälzströmung zum Stabilisieren der Flamme auszubilden.
Ferner ist es möglich, die Verbrennungsstabilität dadurch zu gewährleisten, dass Brennstoff während des Gasturbinen-Startbetriebs und bei Teillastbetrieb nur einem Teil des Systems zugeführt wird, um dadurch dafür zu sorgen, dass der Brennstoff örtlich übermäßig konzentriert ist und er mit einem Mechanismus brennt, der ähnlich einer Diffusionsverbrennung ist, bei der Sauerstoff in der Umgebungsluft verwendet wird.
Erste Ausführungsform
Nachfolgend wird eine erste Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben. In der 1 läuft von einem Kompressor 10 gelieferte Luft 50 zwischen einem Außenmantel 2 und einer Brennerauskleidung 3 hindurch. Ein Teil der Luft 50 strömt als Kühlluft 31 für die Brennerauskleidung 3 in eine Brennkammer 1. Ferner strömt die restliche Luft 50 als koaxiale Luft 51 vom Inneren eines Innenzylinders 2a durch eine Luftöffnung 52 in die Brennkammer ein.
Brennstoffdüsen 55 und 56 sind koaxial oder beinahe koaxial zu den Verbrennungsluftöffnungen 52 angeordnet. Brennstoff 53 und Brennstoff 54 werden von den Brennstoffdüsen 55 und den Brennstoffdüsen 56 über Zuführpfade 55a, 56a als Strahlen, die beinahe koaxial zur Verbrennungsluft sind, injiziert, um dadurch eine stabile Flamme zu bilden. Das erzeugte Verbrennungsgas auf hoher Temperatur wird an eine Turbine 18 geliefert, es verrichtet seine Arbeit, und es wird dann ausgeblasen.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Brennstoffversorgungssystem 80 mit einem Steuerventil 80a hinsichtlich des Brennstoffs 53 und des Brennstoffs 54 unterteilt. D.h., dass das hier vorhandene Brennstoffversorgungssystem 80 in ein erstes Brennstoffversorgungssystem 54b und ein zweites Brennstoffversorgungssystem 53b unterteilt ist. Das erste Brennstoffversorgungssystem 54b und das zweite Brennstoffversorgungssystem 53b verfügen über individuell steuerbare Steuerventile 53a bzw. 54a. Die Steuerventile 53a und 54a sind so angeordnet, dass jedes Ventil individuell jede Brennstoffflussrate entsprechend der Gasturbinenlast steuert. Hierbei kann das Steuerventil 53a die Flussrate einer Brennstoffdüsengruppe 56 im zentralen Abschnitt steuern, und das Steuerventil 54a kann die Flussrate einer Brennstoffdüsengruppe 55, die eine umgebende Brennstoffdüsengruppe ist, steuern. Diese Ausführungsform verfügt über mehrere Brennstoffdüsengruppen: eine Brennstoffdüsengruppe im zentralen Abschnitt sowie eine umgebende Brennstoffdüsengruppe, Brennstoffversorgungssysteme, die den jeweiligen Brennstoffdüsengruppen entsprechen, und ein Steuerungssystem, das jede Brennstoffflussrate individuell steuern kann, wie es oben angegeben ist.
Als Nächstes wird der Düsenabschnitt unter Bezugnahme auf die 4(a) und 4(b) detailliert beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist der Brennstoffdüsenkörper in zentrale Brennstoffdüsen 56 und umgebende Brennstoffdüsen 55 unterteilt. An der Vorderseite der Brennstoffdüsen 55 und 56 in der Injektionsrichtung sind entsprechende Luftöffnungen 52 und 57 vorhanden. Am scheibenförmigen Element 52a sind mehrere Luftöffnungen 52 und 57 vorhanden, die beide einen kleinen Durchmesser aufweisen. Es sind mehrere Luftöffnungen 52 und 57 so vorhanden, dass sie den mehreren Brennstoffdüsen 55 und 56 entsprechen.
Obwohl der Durchmesser der Luftöffnungen 52 und 57 klein ist, ist es bevorzugt, die Öffnungen mit solcher Größe auszubilden, dass dann, wenn aus den Brennstoffdüsen 55 und 56 injizierter Brennstoff durch diese Luftöffnungen 52 und 57 strömt, ein Brennstoffstrahl und eine zirkulare Luftströmung, die den Brennstoffstrahl umgibt, gebildet werden können, wobei dies die Umgebungsluft begleitet. Beispielsweise ist es für den Durchmesser bevorzugt, dass er etwas größer als der Durchmesser des von den Brennstoffdüsen 55 und 56 injizierten Strahls ist.
Die Luftöffnungen 52 und 57 sind so angeordnet, dass sie gemeinsam mit den Brennstoffdüsen 55 und 56 koaxiale Strahlen bilden, und es wird eine große Anzahl koaxialer Strahlen, bei denen eine ringförmige Luftströmung einen Brennstoffstrahl umgibt, von der Stirnfläche der Luftöffnungen 52 und 57 injiziert. D.h., dass die Brennstofföffnungen der Brennstoffdüsen 55 und 56 koaxial oder beinahe koaxial zu den Luftöffnungen 52 und 57 angeordnet sind und dass der Brennstoffstrahl in der Nähe des Zentrums des Einfasses der Luftöffnungen 52 und 57 injiziert wird, um dadurch dafür zu sorgen, dass der Brennstoffstrahl und die umgebende ringförmige Luftströmung einen koaxialen Strahl bilden.
Da der Brennstoff und die Luft so angeordnet werden, dass sie eine große Anzahl koaxialer Strahlen kleinen Durchmessers bilden, können sie über einen kurzen Weg gemischt werden. Im Ergebnis existiert eine gleichmäßige Brennstoffverteilung, und es kann ein hoher Verbrennungswirkungsgrad aufrechterhalten werden.
Ferner kann, da die Anordnung bei dieser Ausführungsform eine teilweise Mischung des Brennstoffs fordert, bevor er von der Stirnfläche einer Luftöffnung aus injiziert wird, erwartet werden, dass der Brennstoff und die Luft über einen viel kürzeren Weg gemischt werden können. Ferner ist es durch Einstellen der Länge des Luftöffnungskanals möglich, die Bedingungen von beinahe keiner im Kanal auftretenden Mischung bis zu beinahe einem Zustand mit völliger Vorvermischung, einzustellen.
Darüber hinaus wird, bei dieser Ausführungsform, den zentralen Brennstoffdüsen 56 und den zentralen Brennstoffdüsen 57 ein geeigneter Verwirbelungswinkel verliehen, um eine Verwirbelung um die Achse der Brennkammer herum zu fördern. Dadurch, dass die Luftöffnungen 57 mit einem Verwirbelungswinkel versehen werden, um eine Verwirbelungskomponente um die Achse der Brennkammer herum zu erzeugen, wird in der Strömung des Luft/Brennstoff-Gemischs mit dem zentralen Brennstoff ein stabiler Umwälzbereich durch Verwirbelung gebildet, um dadurch die Flamme zu stabilisieren.
Ferner ist es zu erwarten, dass diese Ausführungsform hohe Effizienz für verschiedene Lastbedingungen einer Gasturbine zeigt. Verschiedene Lastbedingungen einer Gasturbine können dadurch gehandhabt werden, dass eine Brennstoffflussrate unter Verwendung von Steuerventilen 53a und 54a, wie sie in der 1 dargestellt sind, eingestellt wird.
D.h., dass in einem Zustand mit kleiner Gasturbinenlast die Brennstoffflussrate zum gesamten Luftvolumen klein ist. In diesem Fall kann dadurch, dass alleine der zentrale Brennstoff 53 zugeführt wird, der Brennstoffkonzentrationspegel im zentralen Bereich höher als der Pegel gehalten werden, wie er dazu erforderlich ist, eine stabile Flamme zu bilden. Ferner kann im Zustand einer großen Gasturbinenlast, durch Liefern sowohl des zentralen Brennstoffs 53 als auch des umgebenden Brennstoffs 54 eine magere Verbrennung mit wenig NO_x insgesamt ausgeführt werden. Ferner ist, bei einem Zustand mittlerer Last, ein ähnlicher Betrieb wie bei einer Diffusionsverbrennung, die Umgebungsluftverbrennung verwendet, dadurch möglich, dass das Entsprechungsverhältnis zwischen dem Volumen des zentralen Brennstoffs 53 zum Luftvolumen, das von den Luftöffnungen 57 her strömt, auf einen Wert über 1 eingestellt wird.
Demgemäß ist es abhängig von verschiedenen Gasturbinenlasten möglich, zur Flammenstabilisierung und einer Verbrennung mit wenig NO_x beizutragen.
Wie oben beschrieben, strömt, durch Anordnen eines koaxialen Strahls, in dem die Luftströmung den Brennstoff einhüllt, der Brennstoff in die Brennkammer, er vermischt sich mit einer umgebenden, koaxialen Luftströmung, um zu einem vorgemischten Luft-Brennstoff-Gemisch mit einem korrekten stöchiometrischen Mischungsverhältnis zu werden, und gelangt dann mit Gas auf hoher Temperatur in Kontakt und beginnt zu brennen. Demgemäß ist eine Verbrennung mit wenig NO_x, entsprechend einer mageren Verbrennung mit Vormischung möglich. Dabei ist der Abschnitt, der einem Vormischrohr eines herkömmlichen Brenners mit Vormischung entspricht, extrem kurz.
Ferner wird die Brennstoffkonzentration in der Nähe der Wandfläche beinahe Null, was die Wahrscheinlichkeit sehr niedrig hält, dass es zu einem durch einen Rückschlag verursachten Ausbrennen kommt.
Wie oben beschrieben, können durch diese Ausführungsform ein Gasturbinenbrenner mit NO_x-Emission von niedrigem Pegel und mit guter Verbrennungsstabilität sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren geschaffen werden.
Die 5(a) und 5(b) zeigen ein Detail eines Düsenabschnitts, wobei es sich um keinen Teil der Erfindung handelt. Bei dieser Anordnung existiert ein einzelnes Brennstoffsystem, das nicht in einen zentralen Abschnitt und einen Umgebungsabschnitt unterteilt ist. Ferner sind die Düsen im zentralen Abschnitt und die Verbrennungsluftöffnungen nicht mit einem Verwirbelungswinkel versehen. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die Düsenstruktur dann zu vereinfachen, wenn die Verbrennungsstabilität aus Betriebsgründen oder wegen der Form des Brennstoffs keine Rolle spielt.
Die 6(a) und 6(b) zeigen einen anderen Düsenabschnitt, der einen Teil der Erfindung bildet. Diese Anordnung ist so aufgebaut, dass mehrere Düsen gemäß der 5 kombiniert sind, um einen einzelnen Brenner zu bilden. D.h., dass mehrere Module, von denen jedes aus Brennstoffdüsen und Luftöffnungen besteht, kombiniert werden, um einen Einzelbrenner zu bilden.
Wie es bei der ersten Ausführungsform beschrieben ist, können durch eine solche Anordnung mehrere Brennstoffsysteme aufgebaut werden, um flexibel Änderungen von Turbinenlasten zu meistern und um auch leicht dadurch verschiedene Leistungsvermögen pro Brenner realisieren zu können, dass die Anzahl der Düsen erhöht oder erniedrigt wird.
Die 7(a) und 7(b) zeigen einen anderen Düsenabschnitt, der keinen Teil der Erfindung bildet. Diese Anordnung ist dem Grunde nach dieselbe wie die gemäß der 5 wobei jedoch der Unterschied darin liegt, dass einem koaxialen Strahl selbst durch einen Luftverwirbler 58 eine Verwirbelungskomponente verliehen ist.
Diese Anordnung fördert die Mischung aller Koaxialstrahlen, was eine gleichmäßigere Verbrennung mit wenig NO_x ermöglicht. Eine Struktur der Brennstoffdüse, die einem Brennstoffstrahl eine Verwirbelungskomponente verleiht, kann das Mischen ebenfalls fördern.
Die 8(a) und 8(b9 zeigen einen anderen Düsenabschnitt, der keinen Teil der Erfindung bildet. Der Unterschied dieser Anordnung besteht darin, dass die an der Mittelachse gemäß der in der 6 dargestellten Anordnung montierte Düse durch einen herkömmlichen Diffusionsbrenner 61 ersetzt ist, der über Luftverwirbler 56 und Brennstoffdüsenöffnungen 62, die jeweils die Verwirbler schneiden, verfügt.
Da bei dieser Anordnung ein herkömmlicher Diffusionsverbrennungsbrenner zum Start, zum Erhöhen der Geschwindigkeit und bei Teillast verwendet wird, wird davon ausgegangen, dass diese Ausführungsform dann von Vorteil ist, wenn die Startstabilität ein Hauptpunkt ist.
Die 9(a) und 9(b) zeigen einen anderen Düsenabschnitt, der keinen Teil der Erfindung bildet. Diese Anordnung verfügt über eine Düse 68 für flüssigen Brennstoff und eine Sprühluftdüse 69 im Diffusionsbrenner 61 gemäß der in den 8(a) und 8(b) dargestellten Anordnung, so dass flüssiger Brennstoff 66 durch Sprühluft 65 zerstäubt werden kann, um dadurch die Verbrennung flüssigen Brennstoffs zu handhaben. Obwohl von dieser Anordnung hinsichtlich des Gesichtspunkts von NO_x-Emissionen mit geringem Pegel nicht viel erwartet werden kann, ist ein Brenner geschaffen, der abhängig von den Brennstoffversorgungsbedingungen flexibel arbeiten kann.
Die 10 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform stellt zusätzlich zu der in den 1 sowie 4(a) und 4(b) dargestellten ersten Ausführungsform auf der stromabwärtigen Seite des Brenners ein Hilfs-Brennstoffversorgungssystem 71, einen Kopf 72 und eine Düse 73 zur Verfügung. Von einer Düse 73 injizierter Brennstoff strömt als koaxialer Strahl durch eine Luftöffnung 74 in eine Brennstoffdüse, und durch Gas hoher Temperatur, das auf der stromabwärtigen Seite herausströmt, wird eine Verbrennungsreaktion gefördert.
Obwohl eine derartige Anordnung die Struktur verkompliziert, ist es möglich, einen Brenner für wenig NO_x zu schaffen, der flexibel auf die Last reagieren kann.
Die 11 zeigt einen anderen Düsenabschnitt, der keinen Teil der Erfindung bildet. Bei dieser Anordnung ist jede Brennstoffdüse der in den 5(a) und 5(b) dargestellten Anordnung mit Doppelstruktur versehen, so dass flüssiger Brennstoff 66 an eine innere Düse 68 für flüssigen Brennstoff geliefert wird und Sprühluft 65 an eine äußere Düse 81 geliefert wird. Diese Anordnung ermöglicht es, eine große Anzahl koaxialer Strahlen auszubilden, wenn flüssiger Brennstoff 66 verwendet wird, um dadurch eine Verbrennung mit wenig NO_x zu realisieren, wobei die Wahrscheinlichkeit eines Zurückschlagens sehr gering ist.
Ferner kann auch die Funktion eines Brenners mit wenig NO_x für gasförmigen Brennstoff dadurch realisiert werden, dass die Zufuhr flüssigen Brennstoffs gestoppt wird und anstelle von Sprühluft gasförmiger Brennstoff zugeführt wird. So ist es möglich, einen Brenner zu schaffen, der sowohl flüssigen als auch gasförmigen Brennstoff handhaben kann.
Wie oben beschrieben, ist es dadurch, dass ein Teil der Brennstoffdüsen oder alle mit Doppelstruktur versehen werden, so dass das Einsprühen von flüssigem Brennstoff und gasförmigen Brennstoff umgeschaltet oder kombiniert werden kann, möglich, sowohl flüssigen als auch gasförmigen Brennstoff zu handhaben.
Demgemäß strömt, bei der o.a. Ausführungsform dadurch, dass eine große Anzahl koaxialer Strahlen angeordnet wird, bei denen die Luftströmung den Brennstoff einhüllt, der Brennstoff in die Brennkammer, er wird mit einer koaxialen Umgebungsluftströmung vermischt, um zu einem vorgemischten Luft-Brennstoff-Gemisch mit korrektem stöchiometrischem Mischungsverhältnis zu werden, und er gelangt dann mit einem Gas hoher Temperatur in Kontakt und beginnt zu brennen. Demgemäß ist eine Verbrennung mit niedrigem NO_x, entsprechend einer mageren Vorgemischverbrennung möglich. Dabei ist der Abschnitt, der einem Vormischrohr eines herkömmlichen Brenners mit Vormischung entspricht, extrem kurz, und die Brennstoffkonzentration wird in der Nähe der Wandfläche beinahe Null, was die Wahrscheinlichkeit sehr niedrig hält, dass es zu einem durch einen Rückschlag verursachten Ausbrennen kommt.
Durch diese Ausführungsform können ein Gasturbinenbrenner mit einem niedrigen Pegel an NO_x-Emission und guter Verbrennungsstabilität sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren geschaffen werden.

Claims

Gasturbinenbrenner mit einer Brennkammer (1), mehreren Luftöffnungen (52, 57) und mehreren Brennstoffdüsen (55, 56), die im Wesentlichen koaxial zu den Luftöffnungen (52, 57) derart verteilt sind, dass Luft und Brennstoff in die Brennkammer (1) in Form mehrerer koaxialer Strahlen injiziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (55, 56) so angeordnet sind, dass ihre Brennstoffstrahlen gegen im Wesentlichen axial zentrische Teile der Einlässe der jeweiligen Luftöffnungen (52, 57) gerichtet sind, und mindestens einige der Luftöffnungen (57) einen Verwirbelungswinkel definieren, um eine Wirbelkomponente um die Brennerachse zu erzeugen.
Brenner nach Anspruch 1, wobei die Luftöffnungen (52) und die Brennstoffdüsen (55) so angeordnet sind, dass sie Brennstoffströme umhüllende Luftströme erzeugen.
Brenner nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzufuhr zu den mehreren Brennstoffdüsen (55, 56) in mehrere Brennstoffzuführsysteme (53b, 54b) unterteilt ist und ein Steuersystem (53a, 54a) zur unabhängigen Steuerung der Strömungsmengen der jeweiligen Brennstoffzuführsysteme (53b, 54b) entsprechend der Last an der Gasturbine vorgesehen ist.
Brenner nach Anspruch 1, wobei mindestens einige der Brennstoffdüsen (68, 81) doppelt ausgeführt sind, um ein Umschalten zwischen einem Aussprühen von flüssigem Brennstoff (66) und einem Ausstoßen von gasförmigem Brennstoff (66, 65) oder einer Kombination von beidem zu ermöglichen.
Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenbrenners, der eine Brennkammer (1), mehrere Luftöffnungen (52, 57) und mehrere im Wesentlichen koaxial zu den Luftöffnungen (52, 57) angeordnete Brennstoffdüsen (55, 56) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff von den Brennstoffdüsen (55, 56) gegen zentrische Teile der Einlässe der Luftöffnungen (52, 57) ausgestoßen wird, um die Brennstoffstrahlen und diese umhüllende ringförmige Luftstrahlen in die Brennkammer (1) von den Auslässen der Luftöffnungen (52, 57) als koaxiale Strahlströme in die Brennkammer (1) zu injizieren, und mindestens einigen der Strahlströme Verwirbelungskomponenten erteilt werden, indem an mindestens einigen der Luftöffnungen ein Verwirbelungswinkel um die Brennerachse vorgesehen wird.