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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Combustor einer Gasturbine, insbesondere auf einen
Combustor, dessen Umfangswand durch Dampf gekühlt wird, wie es z. B. im US-Patent
Nr. 4 819 438 A beschrieben ist.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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3 ist
eine Aufbauansicht eines herkömmlichen
Gasturbinenkraftwerks. In 3 bezeichnet
die Bezugsziffer 6 einen Kompressor, die Bezugsziffer 7 bezeichnet
einen Combustor, die Bezugsziffer 8 bezeichnet eine mit
dem Kompressor 6 koaxial verbundene Gasturbine, und die
Bezugsziffer 9 bezeichnet einen Abgaskessel zum Rückgewinnen von
Energie aus Abgas nach dessen Benutzung zum Antrieb der Gasturbine 8.
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Beim Betrieb des nach obiger Beschreibung aufgebauten
Gasturbinenkraftwerks wird Verbrennungsluft, die durch den koaxial
mit der Gasturbine 8 angetriebenen Kompressor 6 komprimiert
wurde, in den Combustor 7 eingeleitet. Im Combustor 7 wird Brennstoff
zur Verbrennung in die nach obiger Beschreibung komprimierte Verbrennungsluft
eingespritzt. Verbrennungsgas wird hiervon in die Gasturbine 8 eingeleitet,
um zu expandieren, und wird dann in den Abgaskessel 9 geleitet.
Es ist anzumerken, daß,
obwohl dies in der Figur nicht dargestellt ist, ein Generator mit
einer Ausgangswelle der Gasturbine 8 verbunden ist, um
von der Gasturbine 8 angetrieben zu werden.
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In dem Abgaskessel 9 wird
Wasser durch das von der Gasturbine 8 geschickte Abgas
erwärmt, um
Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf wird in eine (nicht dargestellte)
Dampfturbine zum Antrieb derselben geleitet. Ferner wird ein Teil
des Dampfes in den Combustor 7 als Kühldampf geleitet, um zum Kühlen einer
Umfangswand des Combustors 7 verwendet zu werden.
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4 ist
eine Schnittansicht eines Hauptteils eines Beispiels eines vorbekannten
Combustors, bei dem eine Umfangswand des Combustors durch Kühldampf
abgekühlt
wird. In 4 ist ein Combustor 7 eines
dampfgekühlten
Systems ein Combustor zum Erzeugen eines Verbrennungsgases einer
hohen Temperatur von 1500°C
am Gasturbineneinlaß. Die
Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Umfangswand, die eine dampfgekühlte Wand
ist, die so aufgebaut ist, daß zum
Kühlen
der Wandoberfläche
Dampf in die Wand strömt,
wobei der Dampf an dem Abgaskessel 9 erzeugt wurde, um
an einer Dampfturbine (nicht dargestellt) zu expandieren, und um
so mit einer bis zu einem bestimmten Niveau reduzierten Temperatur
als Kühldampf
verwendet zu werden.
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Die Bezugsziffer 10 bezeichnet
eine Verbrennungskammer, die von der Umfangswand 2 umgeben
ist und so aufgebaut ist, daß eine
Verbrennungsluft vom Kompressor 6 durch einen Wandabschnitt 20 an
dessen stromaufwärtiger
Seite in diesen geleitet wird. Ferner ist im Wandabschnitt 20 an
der stromaufwärtigen
Seite der Verbrennungskammer 10 eine Pilotdüse 4 an
deren mittleren Abschnitt vorgesehen, und es sind auch mehrere Hauptdüsen 3 vorgesehen,
die in gleichen Intervallen entlang einer Umfangsrichtung des Combustors 7 an einer
Außenseite
der Pilotdüse 4 angeordnet
sind. Die Bezugsziffer 2a bezeichnet einen Verbrennungsgasauslaß.
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Beim Betrieb des Combustors 7 nach
obigem Aufbau wird Brennstoff von der Pilotdüse 4 in die Verbrennungsluft
in der Verbrennungskammer 10 eingespritzt, um gezündet zu
werden, und dann wird Hauptbrennstoff von den mehreren Hauptdüsen 3 in die
so gezündete
Flamme eingespritzt, um mit der Luft in der Verbrennungskammer 10 vermischt
und verbrannt zu werden und die Verbrennungsflamme 5 zu
erzeugen. Das so erzeugte Verbrennungsgas strömt aus dem Auslaß 2a der Verbrennungskammer 10,
um der Gasturbine 8 zu deren Antrieb zugeführt zu werden.
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Es gibt jedoch Nachteile, wie sie
nachstehend erwähnt
werden, bei dem vorbekannten Gasturbinen-Combustor ein es dampfgekühlten Systems gemäß 4. Das heißt, es wird
eine Zone niedriger Geschwindigkeit von Brennstoff- und Luftströmung in der
Umgebung der Innenfläche
der Umfangswand 2 auf einer stromaufwärtigen Seite in der Verbrennungskammer 10 gebildet,
und die Brennstoffkonzentration in dieser Niedergeschwindigkeitszone,
die als "B" in 4 gezeigt ist, wird leicht höher (dicker). Folglich
breitet sich die in der Niedergeschwindigkeitszone B erzeugte Flamme 5 zur
stromaufwärtigen
Seite, d. h. zu den Düsen 3, 4 entlang
der Umgebung der Innenfläche
der Umfangswand 2 aus, so das dort eine Verbrennung bewirkt
wird, bei der eine Durchmischung von Brennstoff und Luft unvollständig ist,
oder eine Verbrennung, bei der eine Querschnitts-Verbrennungslast
hoch ist. Infolgedessen entstehen bei der den vorbekannten Combustor 7 anwendenden
Gasturbine Probleme eines Anstiegs der Austragung von NOx (Stickoxide) infolge der Erhöhung der
Verbrennungstemperatur, der Erhöhung
einer Vibration bei der Verbrennung infolge einer schnellen Verbrennung
etc. in der Verbrennungskammer 10.
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ABRISS DER ERFINDUNG:
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Gasturbinen-Combustor bereitzustellen mit einer dampfgekühlten Wand
einer Verbrennungskammer, wobei die Erhöhung einer Brennstoffkonzentration
in einer Niedergeschwindigkeitszone der Strömung eines Brennstoff-Luft-Gemischs in
der Nähe
der Innenfläche
der dampfgekühlten Wand
unterdrückt
werden kann, um so eine NOx-Austragung zu
reduzieren und eine Verbrennungsvibration unterdrücken zu
können.
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Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist
ein erstes, durch die vorliegende Erfindung bereitgestelltes Mittel
ein Gasturbinen-Combustor mit einer Verbrennungskammer, deren Umfangswand
eine dampfgekühlte
Wand ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie so aufgebaut ist, daß ein Luftloch
zum Einleiten von Luft durch dieses hindurch in der Umfangswand
auf einer stromaufwärtigen
Seite der Verbrennungskammer gebohrt ist und Luft durch dieses Luftloch
in die Umgebung einer Innenfläche
der Umfangswand zugeführt
wird.
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Ferner ist ein zweites, von der vorliegenden Erfindung
bereitgestelltes Mittel ein Gasturbinen-Combustor, wie er beim ersten
Mittel erwähnt wurde,
dadurch gekennzeichnet, daß er
so aufgebaut ist, daß ein
Luftrohr mit einer Einlaßseite
des Luftlochs verbunden ist, und von einem Gasturbinenkompressor
zugeführte
Luft durch das Luftrohr in das Luftloch eingeleitet wird.
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Bei der Verbrennungskammer des oben
genannten Gasturbinen-Combustors wird Verbrennungsluft in diesen
von dem Kompressor zugeführt, und
Brennstoff wird in die Verbrennungsluft durch eine Pilotdüse und eine
Hauptdüse
eingespritzt, und dabei wird in eine Niedergeschwindigkeitszone
einer Brennstoff- und Luftströmung
in der Umgebung der Innenfläche
der Umfangswand an der stromaufwärtigen
Seite der Verbrennungskammer gebildet, d. h. nahe den Düsen, und
eine Brennstoffkonzentration in dieser Niedergeschwindigkeitszone
wird höher
(dicker).
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Nichtsdestoweniger wird bei der vorliegenden
Erfindung Luft zur Auflösung
dieser Niedergeschwindigkeitszone einer Brennstoff- und Luftströmung in
der Verbrennungskammer zugeführt,
und folglich wird eine Schichtströmung dieser Lösungsluft in
der Umgebung der Innenfläche
der Umfangswand in der Niedergeschwindigkeitszone gebildet, und
aufgrund dieser Schichtströmung
werden der Brennstoff und die Luft beschleunigt durchmischt und
eine Zunahme der Brennstoffkonzentration wird dort unterdrückt.
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Ferner wird dadurch verhindert, daß sich die Flamme
von einem mittleren Abschnitt der Verbrennungskammer zur stromaufwärtigen Seite
hin entlang der Innenfläche
der Umfangswand ausbreitet, womit eine Zunahme der Verbrennungstemperatur infolge
eines Ausbreitens der Flamme und einer Erhöhung einer NOx-Austragung,
die damit verbunden ist, unterdrückt
werden kann und auch eine Verbrennungsvibration infolge der raschen
Zunahme des Verbrennungsdrucks und der Verbrennungstemperatur verhindert
werden kann.
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Gemäß dem zweiten Mittel der vorliegenden Erfindung
wird die in das Luftloch einzuleitende Lösungsluft von dem Gasturbinenkompressor
geliefert, womit keine Notwendigkeit besteht, ein spezifisches Druckluft-Zuführmittel
bereitzustellen, wie z. B. einen exklusiven Luftkompressor, und
die Lösungsluft
mit hohem Druck kann durch die Mittel mit einfachem Aufbau und geringen
Kosten erhalten werden.
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Gemäß der nach obiger Beschreibung
aufgebauten vorliegenden Erfindung kann deren Wirkung wie folgt
zusammengefaßt
werden: Die Lösungsluft
wird durch das Luftloch in die Niedergeschwindigkeitszone einer
Brennstoff- und
Luftströmung
in der Umgebung der Innenfläche
der Umfangswand an der stromaufwärtigen
Seite der Verbrennungskammer geliefert, wodurch eine Durchmischung
von Brennstoff und Luft beschleunigt wird und eine Zunahme einer
Brennstoffkonzentration in der Niedergeschwindigkeitszone unterdrückt werden kann.
Damit wird verhindert, daß sich
die Verbrennungsflamme zur Niedergeschwindigkeitszone hin ausbreitet,
und eine Zunahme der Verbrennungstemperatur infolge des Ausbreitens
der Flamme und der Zunahme einer NOx-Austragung, die damit
verbunden ist, werden unterdrückt,
und ferner wird ein Auftreten einer Verbrennungsvibration infolge
der schnellen Zunahme des Verbrennungsdrucks und der Verbrennungstemperatur
verhindert.
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Demgemäß wird bei der vorliegenden
Erfindung durch den Einsatz des sehr einfachen und kostengünstigen
Mittels zur Bereitstellung des Luftlochs in der Umfangswand der
Verbrennungskammer eine Gasturbine erhalten, bei der eine NOx-Austragung reduziert ist und ein Auftreten
einer Verbrennungsvibration verhindert wird.
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Ferner entsteht durch das Zuführen der
Lösungsluft,
die in das Luftloch von dem Gasturbinenkompressor einzuleiten ist,
keine Notwendigkeit der Bereitstellung eines spezifischen Luftzuführmittels, wie
z. B. eines Luftkompressors, und die Lösungsluft kann durch das sehr
einfache und kostengünstige Mittel
erhalten werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
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Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines Hauptteils eines Gasturbinen-Combustors einer
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht
eines Abschnitts "A" der 1,
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3 eine
Aufbauansicht eines herkömmlichen
Gasturbinenkraftwerks, und
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4 eine
Schnittansicht eines Hauptteils eines Beispiels eines vorbekannten
Gasturbinen-Combustors.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN:
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In 1,
welche eine Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, bezeichnet die Bezugsziffer 2 eine Umfangwand,
die eine dampfgekühlte
Wand ist, welche so aufgebaut ist, daß Dampf in der Wand zum Kühlen der
Wandoberfläche strömt, wobei
der Dampf an dem in 3 gezeigten Abgaskessel 9 erzeugt
wurde, um sich an einer (nicht dargestellten) Dampfturbine auszudehnen
und damit mit einer bis zu einem bestimmten Niveau reduzierten Temperatur
als Kühldampf
verwendet zu werden.
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Die Bezugsziffer 10 bezeichnet
eine Verbrennungskammer, die von der Umfangswand 2 umgeben
und so aufgebaut ist, daß eine
Verbrennungsluft vom Kompressor 6 gemäß 3 in diese durch einen Wandabschnitt 20 an
einer stromaufwärtigen Seite
desselben eingeleitet wird. Ferner ist im Wandabschnitt 20 an
der stromaufwärtigen
Seite der Verbrennungskammer 10 eine Pilotdüse in deren zentralem
Abschnitt vorgesehen, und es sind auch mehrere Hauptdüsen 3 vorgesehen,
die mit gleichen Abständen
entlang einer Umfangsrichtung des Combustors 7 gemäß 3 an einer Außenseite
der Pilotdüse 4 angeordnet
sind. Die Bezugsziffer 2a bezeichnet einen Verbrennungsgas-Auslaß. Der oben erwähnte Aufbau
ist der gleiche wie der des in 4 gezeigten
Standes der Technik.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird
die Umfangswand 2 des Combustors 7 wie folgt verbessert, nämlich daß, wie in
den 1 und 2 gezeigt ist, wobei 2 eine vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts "A" der 1 ist, sich mehrere Luftlöcher in
die Umfangswand 2 mit angemessenen Abständen dazwischen entlang einer
Umfangsrichtung des Combustors 7 an einer Position an der
stromaufwärtigen
Seite der Umfangswand 2 des Combustors 7 befinden, d.
h. an einer Position an einer Seite der Hauptdüsen 3. Die Luftlöcher 1 sind
in einer Reihe oder in mehreren Reihen (zwei Reihen in der vorliegenden
Ausführungsform)
vorgesehen, und jede derselben ist mit einem Luftrohr 11 versehen,
welches zu einem Auslaß des
Kompressors 6 verbindet, so daß druckbeaufschlagte Luft vom
Auslaß des
Kompressors 6 durch dieses geleitet wird, um über die
Luftlöcher 1 in
die Verbrennungskammer 10 eingeblasen zu werden.
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Beim Betrieb des nach obiger Beschreibung aufgebauten
Combustors 7 wird Brennstoff an der Pilotdüse 4 in
die Verbrennungsluft in der Verbrennungskammer 10 eingespritzt,
um gezündet
zu werden, und dann wird Hauptbrennstoff von den mehreren Hauptdüsen 3 in
die so gezündete
Flamme eingespritzt, um mit der Luft in der Verbrennungskammer 10 vermischt
und verbrannt zu werden und eine Verbrennungsflamme 5 zu
erzeugen. Das so erzeugte Verbrennungsgas strömt aus dem Auslaß 2a der Verbrennungskammer 10 aus,
um der Gasturbine 8 zu deren Antrieb zugeführt zu werden.
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Während
eine Verbrennung in der Verbrennungskammer 10 erfolgt,
wird eine Niedergeschwindigkeitszone einer Brennstoff- und Luftströmung in der
Umgebung der Innenfläche
der Umfangswand 2 an der stromaufwärtigen Seite der Verbrennungskammer 10 gebildet,
d. h. nahe den Zonen 3, 4. So werden bei dem vorbekannten
Combustor Brennstoff und Luft nicht ausreichend in dieser Niedergeschwindigkeitszone
miteinander vermischt, und die Brennstoffkonzentration wird dort
höher (dicker).
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Beim Combustor der vorliegenden Erfindung jedoch
wird Luft zur Auflösung
in die Niedergeschwindigkeitszone der Brennstoff- und Luftströmung über die
mehreren Luftlöcher 1 zugeführt, die in
die Umfangswand 2 gemäß 2 gebohrt sind, und folglich
wird eine Schichtströmung
dieser Lösungsluft
in der Umgebung der Innenfläche
der Umfangswand 2 in der Niedergeschwindigkeitszone gebildet,
und infolge dieser Schichtströmung
wird die Durchmischung von Brennstoff und Luft beschleunigt und
eine Erhöhung
der Brennstoffkonzentration in der Niedergeschwindigkeitszone unterdrückt.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird
verhindert, daß sich
die von einem zentralen Abschnitt der Verbrennungskammer 10 entwickelnde Flamme
zur stromaufwärtigen
Seite hin ausbreitet, und folglich kann eine Zunahme der Verbrennungstemperatur
infolge des Ausbreitens der Flamme und der Zunahme eines NOx-Austrags, der damit verbunden ist, unterdrückt werden.
Ferner kann verhindert werden, daß eine Verbrennungsvibration
infolge der schnellen Zunahme des Verbrennungsdrucks auftritt.
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Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung
die Luft, die in das Luftloch einzuleiten ist, von dem Kompressor 6 der
Gasturbine geliefert, womit keine Notwendigkeit besteht, ein spezifisches
Zuführmittel
für Druckluft
bereitzustellen, wie z. B. einen exklusiven Luftkompressor, und
darüberhinaus
kann Luft mit hohem Druck zugeführt
werden.
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Die Erfindung wurde unter Verwendung
der Ausführungsformen
beschrieben, wie sie in den Figuren dargestellt sind, die Erfindung
ist jedoch nicht darauf beschränkt,
sondern es können
verschiedene Modifikationen der Struktur innerhalb des Schutzumfangs
der nachstehend beigefügten
Ansprüche
hinzugefügt
werden.