DE69918744T2

DE69918744T2 - Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE69918744T2
Application number: DE69918744T
Authority: DE
Inventors: Roger James Park
Original assignee: Alstom Power UK Holdings Ltd
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-05-09
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: EP0957311A3; DE69918744D1; EP0957311A2; US6151899A; EP0957311B1; GB9809829D0; GB2337102A; JPH11337069A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Gasturbinen-Brennkammer des Typs mit Magerverbrennung.
Allgemeiner Stand der Technik
Im Bemühen, die Erzeugung von verschmutzenden Stickoxiden durch Gasturbinen zu vermindern, werden so genannte Magervormisch-Brennkammern verwendet, in denen das Brennstoff/Luft-Verhältnis in den höheren Betriebsbereichen so weit wie möglich reduziert ist. Dies birgt Nachteile, die die vorliegende Erfindung zu reduzieren sucht. In Brennkammern mit Vormischbrennern mit radialem Zustrom, die einem mageren Primärbrennstoff/Luft-Gemisch einen hohen Verwirbelungsgrad verleihen, bevor es einer Vorkammer mit Axialströmung in Strömungsrichtung mit einer Hauptbrennkammer zugeführt wird, kann zum einen ein zurückströmender Wirbelkernstrom aus heißen Verbrennungsgasen, der sich zwischen dem Brenner und der Hauptbrennkammer erstreckt, auf die Brennerstirnfläche auftreffen und zu hohen Oberflächentemperaturen führen, die die Lebensdauer des Komponentenmaterials in diesem Bereich reduzieren können. Zweitens führt das schwache Brennstoff/Luft-Gemisch zu einem Problem bezüglich der Erhaltung der Flammenstabilität, wenn die Maschinenlast reduziert wird; dies führt zu der Notwendigkeit brennstoffreiche Zündflammensysteme oder andere Mittel zur Änderung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses bei niedriger Maschinenlast einzusetzen. Derartige Methoden führen typischerweise zu eine Zunahme schädlicher Emissionen und können eine komplexere und teurere Gestaltung der Brennkammer erfordern.
Die EP-A-0 728 989 A2 offenbart eine Magerbrennkammer der oben genannten Art, bei der Zündbrennstoff von einer erhabenen, den Brennerkopf umgebenden Lippe aus radial nach innen durch einen Zündbrennerkopf hindurch zu einer aus einem kreisförmigen Schlitz in dem Brennerkopf kommenden Luftsäule eingespritzt wird, wobei die Aufgabe darin besteht eine abgeschirmte Verbrennungszone für eine brennstoffreiche Verbrennung während des Warmlaufens der Maschine einzurichten. Ein weiteres Schema für die Erzeugung eines Bereichs eines reicheren Brennstoff/Luft-Gemischs nahe einem Brenner in dieser Art von Brennkammer ist in der GB-A-2 336 663 gezeigt.
Kurze Darstellung der Erfindung
Gemäß der Erfindung ist eine Magerbrennkammer für eine Gasturbine vorgesehen, wobei die Brennkammer in Strömungsrichtung einen Vormischbrenner mit radialem Zustrom, eine Vorbrennkammer mit Axialströmung und eine Hauptbrennkammer mit Axialströmung und mit einer größeren Querschnittsfläche als die Vorkammer aufweist, wobei der Brenner folgendes umfasst:
eine Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung, die radial außerhalb von der Vorkammer angeordnet ist und Brennstoffeinspritz- und Verwirbelungsmittel umfasst, um Primärbrennstoff mit Luft zu mischen bevor das resultierende Brennstoff/Luft-Gemisch in die Vorkammer eintritt, und die dem in die Vorkammer eintretenden Brennstoff/Luft-Gemisch eine Bewegung mit einer Wirbelkomponente um die axiale Mittellinie der Vorkammer verleiht, und
eine Brennerstirnfläche, die in radialer Richtung innerhalb von der Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung angeordnet ist und in axialer Richtung eine stromaufwärtige Wand der Vorkammer bildet, wobei die Brennerstirnfläche ein Zündbrennstoff-Einspritzmittel zum Einspritzen von Zündbrennstoff in die Vorkammer beinhaltet, wobei das Zündbrennstoff-Einspritzmittel (14) innerhalb einer Ausnehmung (12) in der Brennerstirnfläche (10) angeordnet ist, die in Draufsicht im Wesentlichen kreisförmig ist,
wobei das Zündbrennstoff-Einspritzmittel dafür ausgelegt ist, Zündbrennstoff in die Ausnehmung in im Wesentlichen tangentialer Richtung relativ zu der kreisförmigen Form der Ausnehmung einzuspritzen, wodurch der Zündbrennstoff im Betrieb um eine Peripherie der Ausnehmung strömt.
Die Ausnehmung kann im Großen und Ganzen zylindrisch sein und eine periphere Wand und eine Basiswand umfassen; vorzugsweise ist zwischen der zylindrischen Wand und der Basiswand der Ausnehmung ein abgerundetes Eckprofil vorgesehen. Das Einspritzmittel umfasst vorzugsweise zumindest eine Einspritzdüse, die so angeordnet ist, dass der Brennstoff benachbart zu der peripheren Wand der Ausnehmung eingeführt wird.
Alternativ kann die Ausnehmung als kontinuierlich gekrümmtes Profil ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist der Durchmesser der Ausnehmung annähernd gleich dem Durchmesser eines rückströmenden Wirbelkernstroms des Brennstoff/Luftgemischs, das an der Brennerstirnfläche zustande kommt, wenn die Brennkammer in Betrieb ist, wobei die Tiefe der Ausnehmung kleiner als ihr Durchmesser sein sollte und geeigneter Weise in der Größenordnung von 30% ihres Durchmessers liegt. Dieser Durchmesser wird entsprechend der Gestaltung der Mischvorrichtung variieren, aber das Strömungsmuster in den Verbrennungsgasen ist an diesem Punkt für diesen Typ von Brenkammer unter Fachleuten allgemein bekannt.
Primärbrennstoff kann durch die Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung an einem beliebigen geeigneten Ort oder an einer Vielzahl von Orten in den Luftstrom eingeführt werden, um sicherzustellen, dass die Vermischung von Brennstoff und Luft so effizient wie möglich ist. Brennstoff kann insbesondere dort eingeführt werden, wo Luft in die Mischvorrichtung eintritt, und/oder stromabwärts davon. Der eingeführte Brennstoff kann gasförmig oder flüssig sein, und verschiedene Arten von Brennstoff können in unterschiedlichen Bereichen der Mischvorrichtung eingeführt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass die Bereitstellung der Ausnehmung in der Brenneroberfläche überraschenderweise eine Verringerung der Betriebstemperatur der Brennerstirnfläche ergibt; dies bietet die Möglichkeit einer verlängerten Lebensdauer des Brenners. Als zusätzliche Vorteile gelten besser Niederlastemissionen und eine verbessere Flammenstabilität bei Niederlast im Magerbetrieb. Es wird angenommen, dass diese Vorteile sich, zumindest teilweise, aus dem Zustandekommen einer sekundären Strömung von kühleren Gasen ergeben, die von der Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung über die Brennerstirnfläche und in die Ausnehmung einströmen. Die Kühlwirkung kann durch Einführung von Brennstoff in die Ausnehmung erhöht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen beschrieben werden:
1(a) ist ein Querschnittsaufriss eines Teils einer bekannten Magerbrennkammer, die mit einem Vormischbrenner mit radialem Zustrom ausgestattet ist;
1(b) ist eine Ansicht des Schnitts B-B in 1(a);
2 ist eine zu 1(a) ähnliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Magerbrennkammer; und
3 ist im Wesentlichen die gleiche Ansicht wie in 2, die aber ein mögliches alternatives Gasströmungsmuster innerhalb der Brennkammer zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Bezug zunächst auf die 1(a) und 1(b) nehmend, weist die Brennkammer des früheren Standes der Technik einen Brennstoff/Luft-Mischer 1 des Verwirbelungstyps mit radialem Zustrom, eine Brennkammer-Vorkammer 2 mit kreisförmigem Querschnitt und eine Brennkammer-Hauptkammer 3 auf, von der nur der stromaufwärtige Teil gezeigt ist. Die Hauptkammer 3 ist von deutlich größerem Durchmesser und größerer Länge als die Vorkammer 2. Luft 4 wird dem Mischer 1 unter Druck von einem Kompressor der (nicht gezeigten) Gasturbine zugeführt und Brennstoff wird unter Druck den Brennstoffeinspritzdüsen 6 und/oder 7 über Anschlüsse 5 zugeführt. Luft bewegt sich durch die Verwirbelungsdurchgänge 8 nach innen, die zwischen dreieckigen Flügeln 30 eingeschlossen sind, und vermischt sich mit dem aus den Einspritzdüsen 6 und/oder 7 in den Luftstrom eingespritzten Brennstoff. Die Verwirbelungsdurchgänge 8 sind tangential zu der Vorkammer 2 ausgerichtet und verleihen damit dem einwärts gerichteten Luftstrom eine Drehbewegungskomponente, wie durch die Pfeile 31 in 1(b) gezeigt ist, so dass das Brennstoff/Luft-Gemisch nach dem Austritt aus den Durchgängen 8 eine kräftige Wirbelbewegung im Gegenuhrzeigersinn um die Mittellinie 13 des Verwirblers und der Vorkammer besitzt. Es wäre natürlich möglich, eine Wirbelbewegung in Uhrzeigersinn zu erhalten, wenn eine entgegengesetzte tangentiale Orientierung der Verwirbelungsdurchgänge 8 eingesetzt wird.
Das Luft/Brennstoff-Gemisch wird anfangs durch ein Zündmittel mit elektrischem Funken gezündet, das in einer geeigneten Position innerhalb der Brennkammer (zum Beispiel in der Brennerstirnfläche 10) angeordnet ist, und die Flamme wird danach durch einen rückströmenden Wirbelkernstrom von Gasen aufrechterhalten, der aus der Gesamtgestaltung der Brennkammer resultiert. Der rückströmende Wirbelkernstrom und damit die Flamme, erstreckt sich stromabwärts zu der Hauptbrennkammer 3 hin und in sie hinein. Wenn man der Richtung der Pfeile in 1(a) folgt, kann man sehen, dass ein axial rückströmender Gasstrom erzielt wird, weil das Luft/Brennstoffgemisch, das aus den Verwirbelungsdurchgängen 8 mit radial nach innen gerichteten Bewegungskomponenten und Drehbewegungskomponenten austritt, unter den Einfluss eines axialen Druckabfalls durch die Vorkammer 2 und die Hauptkammer 3 hindurch gerät. An eine gewissen Punkt innerhalb des stromaufwärtigen Teils der Hauptkammer 3 bewirkt die Kombination aus axialer und drehender Strömung, dass der Strom des Brennstoff/Luftgemischs und anderer Gase sich einwärts zu der Verwirblermittelachse 13 wendet und dann schreitet in axial Gegenrichtung zu der Brennerstirnfläche 10 weiterströmt, wo er sich nach Außen wendet und auf den einströmenden Strom aus den Verwirbelungsdurchgängen trifft. Auf diese Weise wird der innere, rückströmende Wirbelkernstrom erzeugt. Wo der innere, rückströmende Strom den einströmenden Strom aus den Verwirbelungsdurchgängen 8 trifft, wird ein Bereich hoher Turbulenz geschaffen und dieser Bereich wird als Scherschicht 11 bezeichnet.
Um die Zündung der Maschine zu fördern, und für Niederlastbedingungen kann die Brennerstirnfläche 10 auch eine oder mehrere Zündbrennstoffeinspritzdüsen aufweisen, die in 1(a) nicht gezeigt sind. Aus der Brennerstirnfläche 10 heraus eingespritzter Zündbrennstoff wird dazu verwendet, einen Bereich eines fetteren Brennstoff/Luft-Gemischs in dem Strömungsmuster der Gase in der Vorkammer 2 zu schaffen, um die Verbrennung unter den oben genannten Bedingungen zu stabilisieren.
Für eine ausführlichere Beschreibung dieser Art von Brennkammer sollte die frühere Britische Patentschrift des Anmelders GB-A-2336663 konsultiert werden.
Bezug nun auch auf die 2 und 3 nehmend, in denen gleichen Komponenten wie in 1(a) die gleichen Bezugszeichen tragen, ist die Brennerstirnfläche 10 mit einer kreisförmigen Ausnehmung 12 versehen, die mittig dazu angeordnet ist. Der Ort der Ausnehmung 12 auch in 1(b) durch einen gestrichelten Kreis angedeutet. Wenn die oben genannte Patentschrift konsultiert wird, sieht man, dass es bekannt ist, die Brennerstirnfläche 10 in 1(a) an ihrer Peripherie mit einer Lippe zu versehen, die eine flache Ausnehmung mittig zu der Stirnfläche definiert, in die Zündbrennstoff in axialer Richtung eingespritzt wird, wobei dieser Zündbrennstoff dann einer durch die Lippe radial nach innen über die Zündbrennstoff Einspritzpunkte gerichteten Gebläseluft ausgesetzt ist. Die Position dieser Lippe ist in 1(b) durch die kreisförmige, unterbrochene Linie 20 angedeutet.
Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch zumindest eine Zündbrennstoffeinspritzdüse 14, die über den Anschluss 15 mit Brennstoff versorgt wird, in die Ausnehmung 12 an einer solchen Position und mit einer solchen Orientierung eingesetzt, dass der Brennstoff im Wesentlichen tangential in die Ausnehmung eingespritzt wird, so dass er um deren periphere Wand strömt. 1(b) deutet zwei diametral gegenüberliegende Zündbrennstoffeinspritzdüsen als kleine gestrichelte Kreise 14 an, es können aber drei, vier oder mehr derartige Einspritzdüsen in gleichen Winkelabständen um die Ausnehmung 12 vorhanden sein. Derartige Einspritzdüsen können die mögliche Form von kurzen, hohlen Rohren annehmen, die von der Basis der Ausnehmung 12 vorstehen. Ein solches ist in 2 angedeutet. Derartige Rohre werden an ihren distalen Enden geschlossen sein, sind aber mit einer oder mehreren kleinen Öffnungen in ihren Seiten versehen, wobei die Öffnungen so positioniert sind, dass entsprechende Zündbrennstoffstrahlen in einer tangentialen Richtung ausgestoßen werden, die der Richtung des Wirbels des zurückströmenden Wirbelkernstroms entspricht, wie durch die Pfeile 22 in 1(b) veranschaulicht ist. Alternativ können die Zündbrennstoffstrahlen 22, abhängig von befriedigenden Testergebnissen, in eine zu der Richtung des Wirbels des rückströmenden Wirbelkernstrom entgegengesetzte Richtung gerichtet sein (im vorliegenden Fall in Uhrzeigerrichtung).
Nach dem Einspritzen in die Ausnehmung 12 wird der Brennstoff aus der Zündeinspritzdüse oder den Zündeinspritzdüsen durch die Zirkulationsströmung in die Scherschicht 11 getragen, wo eine innige Durchmischung erfolgt, so dass eine stabile Verbrennungsreaktion darin erzeugt wird, die eine Flammenstabilität bei recht niedrigen Brennstoff/Luft-Verhältnissen (in der Größenordnung von 1 bis 500 in Masseeinheiten) ergibt. Wegen des niedrigen Brennstoffgehalts sind zudem die Pegel erzeugter Schadstoffe niedrig. Die Ausnehmung 12 besitzt einen Durchmesser d, der ähnlich demjenigen des zurückströmenden Wirbelkernstrom des Brenners an diesem Punkt ist.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, ist die Ausnehmung im Großen und Ganzen zylindrisch, ist aber auch mit einem abgerundeten Eckprofil zwischen der zylindrischen Wand und der Basiswand der Ausnehmung versehen.
Die Ausnehmung kann alternativ als kontinuierlich gekrümmtes Profil, zum Beispiel als Teil einer sphärischen Fläche oder mit an einem elliptischen Profil, ausgebildet sein, wobei letzteres durch die gestrichelte Linie 32 in 2 veranschaulicht ist. Wie ebenso in 2 gezeigt ist, sind eine oder mehrere Brennstoffeinspritzdüsen 34 an einem geeigneten Punkt auf dem kontinuierlichen Profil in einer Tiefe zwischen dem Ober- und Unterteil der Ausnehmung 32 vorgesehen.
Die Tiefe der Ausnehmung 12 oder 32 ist vorzugsweise kleiner als ihr Durchmesser, aber im Wesentlichen tiefer als die Ausnehmung, die durch die periphere Brennerlippe definiert wird, die in der oben genannten Patentschrift gezeigt ist. Eine geeignete Tiefe für die Ausnehmung liegt in der Größenordnung von 30% ihres Durchmessers.
3 veranschaulicht ein mögliches Strömungsmuster, das in der Ausnehmung erzielt wird und das Anlass ist für die vorteilhaften Effekte ist, die sich bei der Verwendung der Brennkammer der Erfindung zeigen. Das rückströmende Hauptsystem wie in 2 dargestellt, aber ein kleiner Teil der aus den Verwirbelungsdurchgängen 8 einströmenden Gase, veranschaulicht durch die gestrichelte Linie 4a, folgt der Kontur der Brennerstirnfläche zur Ausnehmung 12 hin, wo er in die Ausnehmung eintritt, wobei er über die Oberfläche der Ausnehmung einwärts strömt bis zum Zusammentreffen in der Mitte, wo die Strömung radial nach außen zurückströmt über den sich radial nach innen bewegenden Strom, wodurch eine sekundäre, zirkulierende Strömung in der Ausnehmung erzeugt wird. Dies ergibt einen konstanten Strom kühlerer, einströmender Gase, der über die Brennerstirnfläche und über die Oberfläche der Ausnehmung 12 streicht und dabei als Kühlmittel und als Schleierkühlsperre gegen die Wärmekonvektion von der Verbrennungsflamme wirkt. Es zeigt sich, dass bei einer solchen Strömung die Kühlwirkung des Einführens von Brennstoff in die Ausnehmung sekundär gegenüber derjenigen der einströmenden kühlen Gase aus dem Einlass sein kann. Ein anderer möglicher Mechanismus beinhaltet ein einfaches Eindiffundieren des Luftstroms 4a über die Brennerstirnfläche in den rückströmenden Wirbelkernstrom, der in diesem Fall von der Vorkammer 2 in die Ausnehmung 12 reicht, wie in 2 gezeigt ist. In der Ausnehmung wird jedoch auf alle Fälle eine Kühlwirkung erzielt.
Die oben beschriebene Kühlwirkung verlängert die Lebensdauer der Brennerstirnfläche und ist wahrscheinlich von Nutzen für die Flammenstabilität und das Absenken des Schadstoffausstoßes, wenn bei niedrigen Brennstoff/Luft-Mischungsverhältnissen gearbeitet wird.

Claims

Magerbrennkammer für eine Gasturbine, wobei die Brennkammer in Strömungsrichtung einen Vormischbrenner (1) mit radialem Zustrom, eine Vorbrennkammer (2) mit Axialströmung und eine Hauptbrennkammer (3) mit Axialströmung und mit einer größeren Querschnittsfläche als die Vorkammer aufweist, wobei der Brenner folgendes umfasst: eine Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung (8), die radial außerhalb von der Vorkammer (2) angeordnet ist und Brennstoffeinspritz- und Verwirbelungsmittel umfasst, um Primärbrennstoff mit Luft (4) zu mischen bevor das resultierende Brennstoff/Luft-Gemisch in die Vorkammer eintritt, und die dem in die Vorkammer eintretenden Brennstoff/Luft-Gemisch eine Bewegung mit einer Wirbelkomponente um die axiale Mittellinie der Vorkammer verleiht, und eine Brennerstirnfläche (10), die in radialer Richtung innerhalb von der Brennstoff/Luft-Mischvorrichtung angeordnet ist und in axialer Richtung eine stromaufwärtige Wand der Vorkammer bildet, wobei die Brennerstirnfläche ein Zündbrennstoff-Einspritzmittel zum Einspritzen von Zündbrennstoff in die Vorkammer beinhaltet, wobei das Zündbrennstoff-Einspritzmittel (14) innerhalb einer Ausnehmung (12) in der Brennerstirnfläche (10) angeordnet ist, die in Draufsicht im Wesentlichen kreisförmig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündbrennstoff-Einspritzmittel dafür ausgelegt ist, Zündbrennstoff in die Ausnehmung in im Wesentlichen tangentialer Richtung relativ zu der kreisförmigen Form der Ausnehmung einzuspritzen, wodurch der Zündbrennstoff im Betrieb um eine Peripherie der Ausnehmung strömt.
Brennkammer nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmung im Großen und Ganzen zylindrisch ist und eine periphere Wand und eine Basiswand umfasst.
Brennkammer nach Anspruch 2, wobei zwischen der zylindrischen Wand und der Basiswand der Ausnehmung ein abgerundetes Eckprofil vorgesehen ist.
Brennkammer nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das Einspritzmittel zumindest eine Einspritzdüse umfasst, die so angeordnet ist, dass der Brennstoff benachbart zu der peripheren Wand der Ausnehmung eingeführt wird.
Brennkammer nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmung im Querschnitt gesehen als kontinuierlich gekrümmtes Profil ausgebildet ist.
Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser der Ausnehmung annähernd gleich einem Durchmesser eines zurückströmenden Wirbelkernstroms von Gasen ist, der im Betrieb der Brennkammer an der Brennerstirnfläche zustande kommt.
Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tiefe der Ausnehmung kleiner als ihr Durchmesser ist.
Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tiefe der Ausnehmung in der Größenordnung von 30% ihres Durchmessers liegt.