EP1493972A1 - Brennereinheit für eine Gasturbine und Gasturbine - Google Patents
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- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
- F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
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- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
- F23R3/34—Feeding into different combustion zones
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
- F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
Definitions
- the invention relates to a burner unit for a Gas turbine with a combustion chamber. It also relates to a Gas turbine with a number of such burner units.
- the nitrogen oxide emissions of the gas turbine be kept very low even in a compact design modern gas turbines usually in the so-called premix mode operated.
- the fuel is over a Variety of injection nozzles supplied and then in premixed with compressor air.
- To provide the required high thermal performances usually more burners, in which fuel mixed and the fuel premixed with air is connected in parallel, in particular in the so-called Ring burner chamber design several burners on one common, annular designed combustion chamber arranged could be.
- the invention is based on the consideration that the Burner unit in particular to operational stability and safety of the gas turbine can contribute by possible Incident sources are consistently avoided.
- thermoacoustically induced combustion instabilities occur not sufficiently limited by external damping mechanisms can be.
- the burner unit comprising the combustion chamber in terms of their acoustic properties are designed to be suitable.
- the Burner stages of each other in at least one of the features distinguish the respective acoustic response times the burner stages to a pressure fluctuation in the combustion chamber characterize, namely the thermoacoustic properties the fuel supply, characterized by the acoustic Impedance of the fuel supply, the thermoacoustic properties the air supply, characterized by the acoustic Impedance of the air passage, and the delay time of the flame, characterized by the time required for a fluid element from the burner outlet to the flame front, also as “Flame delay time", or by the time, the one fuel enriched fluid element from the injection site needed up to the flame front, also as "injection delay time” designated.
- the impedance generally expresses the relationship between a force excitation and a resulting movement, So for example in the AC technology between electric field and resulting current density, out.
- the acoustic impedance is thus the ratio of a pressure fluctuation to the resulting Flow rate of a medium again. Between a pressure fluctuation and a resulting There is a fluctuation in the flow velocity on the one hand an amplitude ratio and on the other hand a phase difference.
- the phase difference expresses to what extent the Fluctuation of the flow velocity of the causing them Pressure fluctuation ahead or hinterhreilt, so that the acoustic impedance among other things a suitable measure of the Time interval between an acoustic stimulus, so for example an acoustic alternating pressure fluctuation, and the Answer the respective burner stage on this, so one Variation of the exit velocity at the respective Burner exit level, is.
- the throttling devices can in particular for the targeted generation of Pressure losses in the interior of the burner stages, for example in their premix chambers, be designed as Throttle device, for example perforated plates with suitably dimensioned Bore diameters can be provided.
- Throttle device for example perforated plates with suitably dimensioned Bore diameters can be provided.
- resonators can be used be, preferably in flow passages upstream or downstream the fuel gas injection, advantageously such that they are in the air passage and / or in the fuel passage of the respective Burner stage open.
- the burner stages of these are advantageously designed so that the sum of the so-called acoustic time span of each burner stage, ie the through the given acoustic impedances of the respective burner stage Time span between the acoustic stimulus and the answer the respective burner stage, and the so-called delay time, that is, the period of time that a fluid element for the distance between the exit plane of the respective burner stage and the flame front needed, differ from each other.
- the flame delay time is advantageously on the specification of a suitably selected exit velocity at the respective burner outlet and / or via integrated Spin generating agent adjusted, in particular the ratio of the size of the peripheral speed component to the meridional velocity component of the used the respective burner stage effluent flow medium is.
- the stated object is achieved by the burner unit as a burner unit of the aforementioned Art is designed.
- the advantages achieved by the invention are in particular in that by the multi-stage configuration of the burner unit with burner stages that are in terms of their distinguish thermoacoustic properties from each other, a consistent acoustic decoupling of the individual Burner stages is reachable from each other. This can the possible excitation of thermoacoustically induced combustion instabilities especially in the combustion system of the gas turbine be kept low. Such a design Burner unit is thus particularly stable against pressure fluctuations in the combustion chamber, leaving a gas turbine with Such a burner unit a particularly high operational Stability.
- the combustion chamber 4 is provided with a number of burners 10 for Combustion of a liquid or gaseous fuel equipped. She is still on her inner wall with no closer provided heat shield elements provided.
- Each vane 14 has one also referred to as blade root 19 Platform 18 on which is to fix the respective Guide vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element is arranged.
- the platform 18 is a thermal comparatively heavily loaded component, which is the outer boundary a Bankgaskanals for the turbine 6 flowing through Working medium M forms.
- Each blade 12 is in analog Way about one also referred to as platform 18 Blade 19 attached to the turbine shaft 8, wherein the Blade foot 19 each one along a blade axis extended profiled airfoil 20 carries.
- each guide ring 21 on the inner housing 16 of Turbine 6 is arranged between the spaced apart platforms 18 of the vanes 14 of two adjacent rows of vanes.
- the outer surface of each guide ring 21 is also the hot, the turbine 6 flowing through Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blade opposite it 12 spaced by a gap.
- the between adjacent Guide blade rows arranged guide rings 21st serve in particular as cover elements that the inner wall 16 or other housing-mounted components before a thermal Overuse by the turbine 6 flowing through hot Working medium M protects.
- each Burner stage 30 is in each case to a schematically indicated Air supply or air passage 32 and to a no closer shown, each in a number of inflow openings Connected 34 fuel supply line.
- outgoing from the burner exit plane 36 of each burner stage 30 forms during operation of the gas turbine 1 in the interior of the combustion chamber 4 shows a flame front assigned to the respective burner stage 30 38.
- FIG 2 are three Burner stages 30 shown; but it can also only two or four or more burner stages 30 are provided be.
- thermoacoustic decoupling or Distortion of the burner stages 30 the avoidance the excitation of thermoacoustically induced combustion instabilities is to ensure the burner stages 30 with regard to the acoustic impedance of their fuel supply, the acoustic impedance of their air passage 32 and / or their flame delay time designed differently from each other. From the acoustic impedances of the fuel supply line and the air passage 32 can each time constants derive the time span between an im Interior of the combustion chamber 4 occurring pressure fluctuation and the subsequent reaction of the respective burner stage 30, So a fluctuation of the exit velocity at the exit the flow medium from the respective exit plane 36, play.
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Abstract
Eine Brennereinheit (3) für eine Gasturbine (1) mit einer
Brennkammer (4) soll die betriebliche Sicherheit und Stabilität
der Gasturbine in besonderem Maße fördern. Dazu ist erfindungsgemäß
an der Brennkammer (4) eine Mehrzahl von Brennerstufen
(30) angeordnet, die sich voneinander hinsichtlich
der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzuleitung, der akustischen
Impedanz ihrer Luftpassage und/oder der Flammenverzugszeit
oder der Injektionsverzugszeit unterscheiden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennereinheit für eine
Gasturbine mit einer Brennkammer. Sie betrifft weiterhin eine
Gasturbine mit einer Anzahl von derartigen Brennereinheiten.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren
oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der
Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung
einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird
dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter
verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer
durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem
Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium
wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit
geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur
erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad
ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades
lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich
durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen,
mit der das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die
Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa
1200 °C bis 1300 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und
auch erreicht.
Um bei den dazu erforderlichen, vergleichsweise hohen Verbrennungstemperaturen
die Stickoxidemissionen der Gasturbine
auch bei kompakter Bauweise besonders gering zu halten, werden
moderne Gasturbinen üblicherweise im so genannten Vormischmodus
betrieben. Dabei wird der Brennstoff über eine
Vielzahl von Injektionsdüsen zugeführt und anschließend in
einer Vormischpassage mit Verdichterluft vorgemischt. Zur Bereitstellung
der geforderten hohen thermischen Leistungen
werden zudem üblicherweise mehrere Brenner, in denen Brennstoff
zugemischt und der Brennstoff mit Luft vorgemischt
wird, parallel geschaltet, wobei insbesondere bei der so genannten
Ringbrennkammer-Bauweise mehrere Brenner auf einer
gemeinsamen, ringförmig ausgestalteten Brennkammer angeordnet
sein können.
Aufgrund der hohen Leistungsdichten und der hohen Verbrennungstemperaturen
sind derartige Gasturbinen gerade bei kompakter
Bauweise möglicherweise störanfällig. Aus Gründen der
betrieblichen Sicherheit und des mit dem Betrieb der Gasturbine
verbundenen Aufwands ist eine hohe Störfallsicherheit
von Gasturbinen jedoch wünschenswert.
Der Erfindung liegt daher Aufgabe zugrunde, eine Brennereinheit
für eine Gasturbine der oben genannten Art anzugeben,
mit der die betriebliche Sicherheit und Stabilität der Gasturbine
in besonderem Maße gefördert wird. Des Weiteren soll
eine Gasturbine angegeben werden, die mit besonders hoher betrieblicher
Sicherheit betreibbar ist.
Bezüglich der Brennereinheit für die Gasturbine wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem an der Brennkammer eine
Mehrzahl von Brennerstufen angeordnet ist, die sich voneinander
hinsichtlich der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzuleitung,
der akustischen Impedanz ihrer Luftpassage und/oder
der Flammenverzugszeit oder der Injektionsverzugszeit unterscheiden.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die
Brennereinheit in besonderem Maße zur betrieblichen Stabilität
und Sicherheit der Gasturbine beitragen kann, indem mögliche
Störfallquellen konsequent vermieden sind. Wie sich
herausgestellt hat, können gerade bei für hohe Leistungsdichten
und Verbrennungstemperaturen ausgelegten Gasturbinen in
kompakter Bauweise als eine mögliche Störfallquelle thermoakustisch
induzierte Verbrennungsinstabilitäten auftreten,
die durch externe Dämpfungsmechanismen nicht hinreichend begrenzt
werden können. Um derartige thermoakustisch induzierte
Verbrennungsinstabilitäten konsequent zu unterdrücken, sollte
die die Brennkammer umfassende Brennereinheit im Hinblick auf
ihre akustischen Eigenschaften geeignet ausgelegt sein. Als
Auslegungsziel kann dabei insbesondere berücksichtigt sein,
eine Kopplung zwischen den thermoakustischen Antwortzeiten
der Brennerflammen und den akustischen Eigenfrequenzen des
Verbrennungssystems, die zur Anregung thermoakustisch induzierter
Verbrennungsinstabilitäten führen könnte, zu unterdrücken.
Um dies zu ermöglichen und insbesondere um eine ausreichende
Anzahl beeinflussbarer Parameter bereitzustellen,
sollte die Brennereinheit hinsichtlich der eingesetzten Brenner
mehrstufig ausgeführt sein. Dabei sind eine Mehrzahl von
Brennerstufen vorgesehen, von denen jede in der Art eines
herkömmlichen Brenners über eine Brenngaszufuhr, eine Luftzufuhr,
gegebenenfalls eine Vormischkammer und einen Brenneraustritt
verfügt.
Zur Sicherstellung der auslegungsgemäß vorgesehenen akustischen
Entkopplung oder "Verstimmung" dieser Untersysteme voneinander
sollten die Brennerstufen hinsichtlich ihrer Dimensionierung
und der Wahl ihrer charakteristischen Parameter
geeignet ausgelegt sein. Dabei ist vorgesehen, dass sich die
Brennerstufen voneinander in mindestens einem der Merkmale
unterscheiden, die die jeweiligen akustischen Antwortzeiten
der Brennerstufen auf eine Druckschwankung in der Brennkammer
charakterisieren, nämlich die thermoakustischen Eigenschaften
der Brennstoffzufuhr, charakterisiert durch die akustische
Impedanz der Brennstoffzuleitung, die thermoakustischen Eigenschaften
der Luftzufuhr, charakterisiert durch die akustische
Impedanz der Luftpassage, und die Verzugszeit der Flamme,
charakterisiert durch die Zeit, die ein Fluidelement benötigt
vom Brenneraustritt bis zur Flammenfront, auch als
"Flammenverzugszeit" bezeichnet, oder durch die Zeit, die ein
mit Brennstoff angereichertes Fluidelement von der Injektionsstelle
benötigt bis zur Flammenfront, auch als "Injektionsverzugszeit"
bezeichnet.
Die Impedanz drückt dabei im Allgemeinen das Verhältnis zwischen
einer Kraftanregung und einer daraus resultierenden Bewegung,
also beispielsweise in der Wechselstromtechnik zwischen
elektrischem Feld und daraus resultierender Stromdichte,
aus. In der Akustik gibt die akustische Impedanz somit
das Verhältnis aus einer Druckschwankung zur daraus resultierenden
Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums wieder. Zwischen
einer Druckschwankung und einer daraus resultierenden
Schwankung in der Strömungsgeschwindigkeit besteht einerseits
ein Amplitudenverhältnis und andererseits eine Phasendifferenz.
Die Phasendifferenz drückt dabei aus, inwieweit die
Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit der sie verursachenden
Druckschwankung voraus- oder hinterhereilt, so dass die
akustische Impedanz unter anderem ein geeignetes Maß für die
Zeitspanne zwischen einer akustischen Anregung, also beispielsweise
einer akustischen Wechseldruckschwankung, und der
Antwort der jeweiligen Brennerstufe hierauf, also eine
Schwankung der Austrittsgeschwindigkeit an der jeweiligen
Brenneraustrittsebene, ist.
Die mehrstufige Ausgestaltung der Brennereinheit ist auf besonders
günstige Weise umsetzbar, indem die Brennerstufen
vorteilhafterweise bezüglich der Längsrichtung der Gasturbine
hintereinander angeordnet sind.
Eine im Hinblick auf die erreichbare Leistungsdichte besonders
günstige und kompakte Bauweise ist erreichbar, indem die
Brennkammer der Brennereinheit vorteilhafterweise als Ringbrennkammer
ausgebildet ist. Durch die Bauweise als Ringbrennkammer
ist zudem aufgrund von deren Rotationssymmetrie
eine in Umfangsrichtung gesehen vergleichsweise homogene Temperatur-
und Strömungsverteilung erreichbar.
Die gezielte Einstellung der akustischen Eigenschaften der
Brennerstufen kann durch geeignete Dimensionierung und Parameterwahl
insbesondere hinsichtlich der Länge der Brennstoffund/oder
Luftpassage, also der Strecke zwischen der Brenngaseindüsung
und dem Brenneraustritt, und/oder hinsichtlich der
Länge der Strömungspassagen und Volumengrößen stromauf der
Brennstoff-Injektion eingestellt werden. Um darüber hinaus
aber noch weitere Freiheitsgrade zur auslegungsgemäßen akustischen
Entkopplung der Brennerstufen voneinander bereitzustellen,
sind die Brennerstufen vorteilhafterweise jeweils
mit einer Anzahl von Drosseleinrichtungen und/oder mit einer
Anzahl von Resonatoreinheiten versehen. Die Drosseleinrichtungen
können dabei insbesondere zur gezielten Erzeugung von
Druckverlusten in Innenräumen der Brennerstufen, beispielsweise
in deren Vormischkammern, ausgelegt sein, wobei als
Drosseleinrichtung beispielsweise Lochbleche mit geeignet dimensionierten
Bohrungsdurchmessern vorgesehen sein können.
Zusätzlich oder alternativ können Resonatoren eingesetzt
sein, vorzugsweise in Strömungspassagen stromauf oder stromab
der Brenngaseindüsung, vorteilhafterweise derart, dass sie in
die Luftpassage und/oder in die Brennstoffpassage der jeweiligen
Brennerstufe münden.
Für eine zuverlässige akustische Entkopplung oder Verstimmung
der Brennerstufen voneinander sind diese vorteilhafterweise
derart ausgelegt, dass sich die Summe aus der so genannten
akustischen Zeitspanne jeder Brennerstufe, also die durch die
akustischen Impedanzen der jeweiligen Brennerstufe gegebene
Zeitspanne zwischen der akustischen Anregung und der Antwort
der jeweiligen Brennerstufe, und der so genannten Verzugszeit,
also derjenigen Zeitspanne, die ein Fluidelement für
die Strecke zwischen der Austrittsebene der jeweiligen Brennerstufe
und der Flammenfront benötigt, voneinander unterscheiden.
Die Flammenverzugszeit ist dabei vorteilhafterweise
über die Vorgabe einer geeignet gewählten Austrittsgeschwindigkeit
am jeweiligen Brenneraustritt und/oder über integrierte
Drallerzeugungsmittel eingestellt, wobei insbesondere
das Verhältnis aus der Größe der Umfangsgeschwindigkeitskomponente
zur meridionalen Geschwindigkeitskomponente des aus
der jeweiligen Brennerstufe abströmenden Strömungsmediums herangezogen
ist.
Bezüglich der Gasturbine wird die genannte Aufgabe gelöst,
indem deren Brennereinheit als Brennereinheit der vorgenannten
Art ausgestaltet ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, dass durch die mehrstufige Ausgestaltung der Brennereinheit
mit Brennerstufen, die sich hinsichtlich ihrer
thermoakustischen Eigenschaften geeignet voneinander unterscheiden,
eine konsequente akustische Entkopplung der einzelnen
Brennerstufen voneinander erreichbar ist. Dadurch kann
die mögliche Anregung thermoakustisch induzierter Verbrennungsinstabilitäten
im Verbrennungssystem der Gasturbine besonders
gering gehalten werden. Eine derartig ausgestaltete
Brennereinheit ist somit besonders stabil gegenüber Druckschwankungen
in der Brennkammer, so dass eine Gasturbine mit
einer derartigen Brennereinheit eine besonders hohe betriebliche
Stabilität aufweist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine, und
- FIG 2
- im Längsschnitt eine Brennereinheit der Gasturbine nach FIG 1.
Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen
versehen.
Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für
Verbrennungsluft, eine Brennereinheit 3 mit einer Brennkammer
4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines
nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine
auf. Dazu sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer
gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle
8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine
verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9
drehbar gelagert ist.
Die Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur
Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
Sie ist weiterhin an ihrer Innenwand mit nicht näher
dargestellten Hitzeschildelementen versehen.
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8
verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln
12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet
und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin
umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln
14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von
Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt
sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb
der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6
durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen
hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen
jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen
aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen.
Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von
Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem
Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird
dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß 19 bezeichnete
Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen
Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement
angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch
vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung
eines Heizgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende
Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger
Weise über einen auch als Plattform 18 bezeichneten
Schaufelfuß 19 an der Turbinenwelle 8 befestigt, wobei der
Schaufelfuß 19 jeweils ein entlang einer Schaufelachse erstrecktes
profiliertes Schaufelblatt 20 trägt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen
18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen
ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der
Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings
21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden
Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung
vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufel
12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten
Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21
dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand
16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen
Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße
Arbeitsmedium M schützt.
Zur Gewährleistung einer hohen betrieblichen Sicherheit und
insbesondere zur Vermeidung thermoakustisch induzierter Verbrennungsinstabilitäten
ist'die Brennereinheit 3, die in
FIG 2 im Längsschnitt dargestellt ist, mehrstufig ausgeführt,
wobei an der als Ringbrennkammer ausgestalteten Brennkammer 4
in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen hintereinander
eine Mehrzahl von Brennerstufen 30 angeordnet ist. Jede
Brennerstufe 30 ist dabei jeweils an eine schematisch angedeutete
Luftzufuhr oder Luftpassage 32 und an eine nicht näher
dargestellte, jeweils in einer Anzahl von Einströmöffnungen
34 mündende Brennstoffzuleitung angeschlossen. Ausgehend
von der Brenneraustrittsebene 36 jeder Brennerstufe 30 bildet
sich beim Betrieb der Gasturbine 1 im Innenraum der Brennkammer
4 eine der jeweiligen Brennerstufe 30 zugeordnete Flammenfront
38. Im Ausführungsbeispiel nach FIG 2 sind drei
Brennerstufen 30 dargestellt; es können aber auch lediglich
zwei oder auch vier oder mehr Brennerstufen 30 vorgesehen
sein.
Zur Sicherstellung der thermoakustischen Entkopplung oder
Verstimmung der Brennerstufen 30 voneinander, die die Vermeidung
der Anregung thermoakustisch induzierter Verbrennungsinstabilitäten
gewährleisten soll, sind die Brennerstufen 30
hinsichtlich der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzuleitung,
der akustischen Impedanz ihrer Luftpassage 32 und/oder
ihrer Flammenverzugszeit unterschiedlich voneinander ausgestaltet.
Aus den akustischen Impedanzen der Brennstoffzuleitung
und der Luftpassage 32 lassen sich dabei jeweils Zeitkonstanten
herleiten, die die Zeitspanne zwischen einer im
Innenraum der Brennkammer 4 auftretenden Druckschwankung und
der darauf folgenden Reaktion der jeweiligen Brennerstufe 30,
also einer Schwankung der Austrittsgeschwindigkeit beim Austritt
des Strömungsmediums aus der jeweiligen Austrittsebene
36, Wiedergeben. Nach der Addition der so genannten Flammenverzugszeit,
also derjenigen Zeitspanne, die ein Fluidelement
im Auslegungsgemäßen Betriebszustand der Gasturbine 1 benötigt,
um von der Austrittsebene 36 der jeweiligen Brennerstufe
30 zur diese zugeordneten Flammenfront 38 zu gelangen, zu
dieser Zeitkonstanten ergibt sich die insgesamt für die akustische
Auslegung der jeweiligen Brennerstufe 30 zu berücksichtigende
Zeitspanne. Die Brennerstufen 30 sind dabei derart
ausgelegt, dass sie sich hinsichtlich dieser charakteristischen
Zeitspanne voneinander unterscheiden.
Um diese Unterschiede in der Auslegung der Brennerstufen 30
zueinander zu erzeugen, sind bei der Dimensionierung und Parametrierung
der Brennerstufen 30 insbesondere die Parameter,
Länge der Brennstoff- und/oder Luftpassage, Länge der Strömungspassagen
und Volumengrößen stromauf der Brennstoff-Injektion,
Druckverluste in den Zuleitungen, Austrittsgeschwindigkeit
in der Brenneraustrittsebene 36, Stabilisierungsart
(Drall stabilisiert oder Staukörper stabilisiert) und/oder
Verhältnis der Größe der Umfangsgeschwindigkeitskomponente
zur Größe der meridionalen Geschwindigkeitskomponente in der
aus der jeweiligen Brennerstufe 30 austretenden Strömung geeignet
gewählt. Weiterhin ist im Ausführungsbeispiel die in
Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen erste Brennerstufe
30 mit einer integrierten Drosseleinrichtung 40, im
Ausführungsbeispiel ein Lochblech, sowie mit in den Strömungspassagen
stromauf und stromab der Brenngaseindüsung angeordneten,
nicht näher dargestellten Resonatoren bestückt.
Claims (7)
- Brennereinheit (3) für eine Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4), an der eine Mehrzahl von Brennerstufen (30) angeordnet ist, die sich voneinander hinsichtlich der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzuleitung, der akustischen Impedanz ihrer Luftpassage und/oder der Flammenverzugszeit oder der Injektionsverzugszeit unterscheiden.
- Brennereinheit (3) nach Anspruch 1, bei der die Brennerstufen (30) bezüglich der Längsrichtung der Gasturbine (2) hintereinander angeordnet sind.
- Brennereinheit (3) nach Anspruch 1 oder 2, deren Brennkammer (4) als Ringbrennkammer ausgebildet ist.
- Brennereinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Brennerstufen (30) jeweils mit einer Anzahl von Drosseleinrichtungen (40) versehen sind.
- Brennereinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Brennerstufen (30) jeweils mit einer Anzahl von Resonatoreinheiten versehen sind, die vorzugsweise in die Luftpassage und/oder in die Brennstoffpassage der jeweiligen Brennerstufe (30) münden.
- Brennereinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei deren Brennerstufen (30) die jeweilige Flammenverzugszeit über die Vorgabe einer Austrittsgeschwindigkeit am jeweiligen Brenneraustritt und/oder über integrierte Drallerzeugungsmittel eingestellt ist.
- Gasturbine (1) mit einer Anzahl von Brennereinheiten (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Priority Applications (3)
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---|---|---|---|
EP03015214A EP1493972A1 (de) | 2003-07-04 | 2003-07-04 | Brennereinheit für eine Gasturbine und Gasturbine |
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EP03015214A EP1493972A1 (de) | 2003-07-04 | 2003-07-04 | Brennereinheit für eine Gasturbine und Gasturbine |
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Family Applications (2)
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Family Applications After (1)
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EP04740264.9A Expired - Lifetime EP1642065B1 (de) | 2003-07-04 | 2004-06-24 | Brennereinheit für eine gasturbine und gasturbine |
Country Status (2)
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