EP1557607B1 - Brenner mit gekühltem Bauteil, Gasturbine sowie Verfahren zur Kühlung des Bauteils - Google Patents

Brenner mit gekühltem Bauteil, Gasturbine sowie Verfahren zur Kühlung des Bauteils Download PDF

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EP1557607B1
EP1557607B1 EP04001242A EP04001242A EP1557607B1 EP 1557607 B1 EP1557607 B1 EP 1557607B1 EP 04001242 A EP04001242 A EP 04001242A EP 04001242 A EP04001242 A EP 04001242A EP 1557607 B1 EP1557607 B1 EP 1557607B1
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EP
European Patent Office
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burner
cooling
cooling air
pressure
air
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP04001242A
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English (en)
French (fr)
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EP1557607A1 (de
Inventor
Dietmar Dr. Granser
Jens Kleinfeld
Hans Maghon
Holger Dr. Streb
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Priority to EP04001242A priority patent/EP1557607B1/de
Priority to DE502004011695T priority patent/DE502004011695D1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2214/00—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a burner of a gas turbine associated components with a combustion chamber upstream burner outlet, wherein the components are acted upon via a cooling air flow from a cooling air guide side input side with cooling air.
  • the invention further relates to a burner of a gas turbine with the burner associated components to be cooled and a combustion chamber upstream burner outlet of the burner, and the components of a cooling air side input side with cooling air acting on cooling air.
  • a gas turbine is an engine that converts a heat energy of a hot gas into mechanical energy, and is used, for example, as a power plant, preferably for generating electric power.
  • the gas turbine has different components.
  • a compressor sucked air is compressed.
  • the compressed air flows to a burner located behind the compressor. There it is mixed with injected fuel and burned in the adjoining combustion chamber.
  • fuel can serve natural gas or fuel oil.
  • the combustion chamber has a combustion chamber in which the combustion takes place.
  • In front of the combustion chamber are a number of burners, each burner having a burner outlet in the form of a flow channel is arranged directly where the fuel injection and air supply takes place directly.
  • the compressed air is converted to hot gas by combustion of the fuel at a temperature which is above 1400 ° C in modern machines.
  • the resulting in the combustion chamber hot gas flows from the combustion chamber into the turbine and is there relaxed under the drive of the blade provided with a blading.
  • the axially exiting exhaust gases escape the turbine via an exhaust duct in a waste heat boiler or directly into a chimney. To drive machines and generate electricity in generators, the difference between the power output from the turbine and the power supplied to the compressor is then available.
  • the number of burners can advantageously be arranged around the combustion chamber.
  • the arrangement is an annular burner arrangement arranged concentrically around the combustion chamber.
  • a gas turbine is expediently designed such that it delivers as high a power as possible or has the highest possible efficiency, the efficiency being the ratio between the power delivered and the power supplied.
  • the efficiency being the ratio between the power delivered and the power supplied.
  • it is important that a combustion-resulting NO x emission and the emission of other harmful combustion gases should be kept as low as possible.
  • the heated components of the gas turbine in particular those components of the gas turbine, have the hot gas contact, especially so the components of a combustion chamber to be cooled with cooling air. So far, it is customary to remove the cooling air to the compressor and to apply the component to be cooled via a cooling air flow from an input side with the cooling air, d. H. supply the cooling air to the component and then apply it with cooling air.
  • the US 6530 223 B1 discloses a fuel-air mixing device for a radial dome of a gas turbine.
  • the fuel-air mixer which is adapted for use in a dome of a gas turbine engine combustor, is oriented substantially perpendicular to the longitudinal axis through the burner. This forms a space through a number of lining elements. Air is supplied from outside through this space by means of lining openings in the combustion chamber.
  • the feeding air ducts are substantially in line with those of the lining openings, so that the inflowing air passes substantially directly into the burner chamber.
  • the WO 99/46540 A1 discloses a method and apparatus for operating a combustor with a burner heat shield.
  • fuel and combustion air are supplied at one end (burner side). Subsequently, this mixture is discharged at the other end (turbine side) through outlet openings in the annular combustion chamber. Furthermore, the mixture then flows into the combustion chamber, where it triggers a two-stage combustion. But it is also possible to burn in the heat shield.
  • the invention begins, whose object is to provide a method for cooling a component of a gas turbine and to provide a device with a component to be cooled, in which the cooling concept is designed such that the efficiency of the gas turbine is not reduced and the pollutant emission of the gas turbine is lowered.
  • the object is achieved by an aforementioned method for the cooling of hot gas-contacted components of a gas turbine according to claim 1.
  • the invention is based on the consideration that the solution principle hitherto pursued in the context of the open cooling air concept is unfavorable with regard to the pollutant emission of the gas turbine.
  • the invention has now recognized that it proves to be particularly advantageous in terms of pollutant emission, the cooling air in the context of a closed cooling air concept as possible the burner, ie in particular the burner flow zuzu meeting. Following the cooling air is already supplied to the burner outlet and not just the combustion chamber of the combustion chamber. In this way, it is now possible that the cooling air can fully participate in the mixing with fuel in the burner and the combustion in the combustion chamber downstream of the burner.
  • the improved mixing of the cooling air according to the present concept reduces the overall fuel-air ratio.
  • the proposed supply of cooling air to the burner outlet in the context of the closed cooling concept is achieved in a particularly effective manner by the fact that during operation of the burner from the input side or the burner inlet forth to the burner outlet and the combustion chamber out a pressure drop in the cooling air or maintained in the burner flow channel.
  • the cooling air is fed to the burner outlet using this pressure gradient.
  • the cooling air is thus injected into the burner flow channel and advantageously mixed with the fuel-air flow as a result of this injector effect.
  • This proves to be particularly favorable in its effect with regard to the combustion process and thus with regard to the reduction of the fuel-air ratio and as a result of the pollutant emission. Cooling air losses are avoided by seals.
  • the full cooling air mass flow participates in the combustion.
  • the pressure gradient is maintained and the pressure gradient detrimental pressure losses through leaks are avoided in this way, so that the injector effect is most effective.
  • the object is achieved by the aforementioned burner of a gas turbine with hot gas-contacted components and a combustion chamber upstream burner outlet of a burner according to claim 2.
  • the pressure on the component to be cooled is advantageously between the input side and the burner outlet side pressure.
  • the concept presented here is the closed Cooling applied to a component which is particularly exposed to the effects of the hot gas, that is applied to a component to be cooled of the combustion chamber. That is, the advantages of the closed concept prove to be particularly advantageous for a component from the group consisting of burner insert, grooved ring, swirl generator and burner outlet wall.
  • the burner is namely held on the housing of the gas turbine and is attached there with its flange.
  • the swirl generator together with its blades and an outer and inner wall forms the burner flow channel at the burner outlet.
  • the burner insert is suspended via the U-ring in the combustion chamber wall.
  • the cooling air collects in the space formed by the burner insert, grooved ring, swirl generator and burner outlet wall, thereby advantageously cooling these components before the cooling air is supplied to the burner flow channel at the burner outlet.
  • the pressure gradient is preferably maintained as effectively as possible by appropriately arranged seals.
  • a first seal between the U-ring and the swirl generator is arranged.
  • a second seal is advantageously arranged between the burner insert and the burner outlet wall.
  • a third seal between the burner insert and the U-ring is arranged. In this way, the above space is advantageously stabilized to the preferred second pressure, namely between a first input-side and a third burner outlet-side pressure.
  • the invention also leads to a gas turbine with a burner explained above.
  • FIG. 1A is a sectional view of an upper part of a burner 1 according to the prior art in which the hitherto conventional open cooling air concept is illustrated.
  • the lower part of the burner 1 according to the prior art is in 1A not shown, but results in its principle by a reflection on the symmetry line 2.
  • the burner 1 according to the prior art has a burner insert 3, which is held by means of a Nutrings 5 on the housing of the gas turbine. To compensate for uneven thermal expansion of the swirl generator 7 relative to the grooved ring 5 is slidably mounted.
  • the combustion air supply 4 and fuel injection 6 formed from compressor discharge air is shown schematically.
  • the cooling air flow of the open cooling air concept realized in the burner 1 according to the prior art is shown by arrows.
  • the cooling air flow is formed by appropriately designed channels in the burner insert 3 and in the U-ring 5.
  • a hot gas umströmtes component to be cooled such as the burner insert 3, and the predominantly heated by heat conduction components, such as grooved ring 5, swirl generator 7 and burner outlet wall 9 is supplied with cooling air. That is, the components 3, 7 and 9, cooling air is supplied by being flowed.
  • the U-ring 5 is flowed through by cooling air.
  • the cooling air is again led away from the components and discharged into the environment in the context of the usual open cooling air concept after cooling the components 3, 5, 7, 9.
  • the cooling air is supplied to the combustion chamber, not shown, at a later time, but does not participate in the combustion practically.
  • This open cooling concept has proven disadvantageous.
  • the supply of cooling air directly into the combustion chamber leads to an increase in the fuel-air ratio in the flame, this has higher combustion temperatures and thus increased NO x emissions result.
  • FIG. 1B shows 1B the section of a lower part of an embodiment of a burner 11 according to the invention.
  • the upper part of the embodiment of the burner 11 corresponds in principle to the mirrored on the symmetry line 2 lower part.
  • This embodiment of the burner 11 has a burner insert 13, a U-ring 15 and a swirl generator 17.
  • the combustion air supply 14 and the fuel injection 16 are shown schematically.
  • the cooling air flow is indicated by corresponding arrows.
  • the burner 11 has a burner outlet 40 of the burner 11 arranged upstream of a combustion chamber, not shown, of a gas turbine.
  • the components to be cooled ie the burner insert 13, the U-ring 15, the swirl generator 17 and a burner outlet wall 19 are acted upon via the cooling air guide 18 from an input side 23 ago with the cooling air. That is, the cooling air is supplied via the input side 23 to the component 13, 15, 17, and 19 and the component 13, 15, 17, and 19 is flown.
  • the cooling air duct 18 forming channels is also the burner insert 13, the groove ring 15 and the swirl generator 17 flows through the cooling air.
  • a closed cooling air concept is realized in the context of the cooling air guide 18. That is, during operation of the burner in the context of the closed cooling air concept is from the input side 23 to the burner outlet 21 of the burner 11 through a pressure p 1 , p 2 and p 3 characterized pressure gradient maintained in the cooling air duct 18 and the cooling air shown by arrows taking advantage of the pressure gradient p 1 > p 2 > p 3 fed to the burner outlet 21.
  • the burner outlet 21 of the burner 11 is preceded by the combustion chamber, not shown.
  • the cooling air is thus added to the combustion air at a particularly early stage and can contribute to the emission of pollutants.
  • the prevailing pressures p 1 , p 2 , p 3 are in the 1B entered.
  • the first pressure p 1 is greater than the second pressure p 2 and the second pressure p 2 is greater than the third pressure p 3 .
  • the first pressure p 1 is formed on the input side 23 and corresponds to the pressure of the air supplied to the burner.
  • the second pressure p 2 is a pressure which is formed in a space 25 which is formed by the burner insert 13, the groove ring 15, the swirl generator 17 and the burner outlet wall 19. In this way, four components 13, 15, 17, 19 are advantageously cooled.
  • the span of the pressure gradient p 1 > p 2 > p 3 is predetermined by the pressure p 3 on the side of the burner outlet 21 and the pressure p 1 on the inlet side 23.
  • the pressure p 2 in the space 25 is mainly maintained and stabilized that the space 25 is sealed with seals 30, 31 and 32 against escape of the cooling air.
  • a first seal 32 between the U-ring 15 and the swirl generator 17 is arranged.
  • a second seal 31 is disposed between the burner insert 13 and the burner exit wall 19.
  • a third seal 30 is between the burner insert 13 and the grooved ring 15 is arranged.
  • a pressure gradient p 1 > p 2 > p 3 is maintained in the cooling air guide 18 during operation of the burner 11 from the input side 23 to the burner outlet 21 and the cooling air by utilizing the pressure gradient p 1 > p 2 > p 3 the Burner outlet 21 supplied.
  • a burner 11 has a component to be cooled 13, 15, 17, 19, a combustion chamber of a gas turbine upstream burner outlet 21 of the burner 11 and a component 13, 15, 17, 19 from an input side 23 forth with cooling air acting on the cooling air duct 18 ,
  • the cooling air duct 18 according to the concept proposed here, a cooling air outlet 27 in the burner outlet 21 and during operation of the burner 11 is a pressure drop p 1 > p 2 > p 3 in the cooling air duct 18 from the input side 23 to the burner outlet 21 out.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einem Brenner einer Gasturbine zugeordneter Bauteile mit einem einer Brennkammer vorgelagerten Brenneraustritt, wobei die Bauteile über eine Kühlluftführung von einer kühlluftführungsseitigen Eingangsseite her mit Kühlluft beaufschlagt werden. Die Erfindung betrifft weiter einen Brenner einer Gasturbine mit dem Brenner zugeordneten zu kühlenden Bauteilen und einem einer Brennkammer vorgelagerten Brenneraustritt des Brenners, und einer die Bauteile von einer kühlluftseitigen Eingangsseite her mit Kühlluft beaufschlagenden Kühlluftführung.
  • Eine Gasturbine ist eine Kraftmaschine, welche eine Wärmeenergie eines heißen Gases in mechanische Energie umwandelt und sie wird beispielsweise als Antriebsaggregat, vorzugsweise zur Erzeugung von elektrischem Strom, eingesetzt. Die Gasturbine weist dabei verschiedene Bauteile auf. In einem Verdichter wird angesaugte Luft komprimiert. Die komprimierte Luft strömt einem hinter dem Verdichter angeordneten Brenner zu. Dort wird sie mit eingedüstem Brennstoff gemischt und in der sich anschließenden Brennkammer verbrannt. Als Brennstoff kann Erdgas oder Heizöl dienen. Die Brennkammer weist einen Brennraum auf, in dem die Verbrennung stattfindet. Dem Brennraum vorgelagert sind eine Anzahl von Brennern, wobei bei jedem Brenner jeweils ein Brenneraustritt in Form eines Strömungskanals direkt angeordnet ist, wo die Brennstoffeindüsung und Luftzuführung unmittelbar stattfindet. Die komprimierte Luft wird durch Verbrennung des Brennstoffs zu Heißgas umgewandelt mit einer Temperatur, die bei modernen Maschinen oberhalb von 1400 °C liegt. Das in der Brennkammer entstandene Heißgas strömt von der Brennkammer in die Turbine und wird dort unter Antrieb der mit einer Beschaufelung versehenen Turbine entspannt. Die axial austretenden Abgase gelangen aus der Turbine über einen Abgaskanal in einen Abhitzekessel oder direkt in einen Kamin. Zum Antrieb von Maschinen und zur Erzeugung von elektrischem Strom in Generatoren, steht dann die Differenz aus der von der Turbine abgegebenen Leistung abzüglich der dem Verdichter zugeführten Leistung zur Verfügung.
  • Die Anzahl von Brennern kann dabei auf vorteilhafte Weise um die Brennkammer herum angeordnet sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Anordnung um eine konzentrisch um die Brennkammer herum angeordnete ringförmige Brenneranordnung.
  • Eine Gasturbine ist zweckmäßigerweise derart ausgestaltet, dass sie eine möglichst hohe Leistung abgibt bzw. einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist, wobei der Wirkungsgrad das Verhältnis aus abgegebener und zugeführter Leistung ist. Darüber hinaus ist von Bedeutung, dass eine bei der Verbrennung entstehende NOx-Emission und die Emission anderer schädlicher Verbrennungsgase möglichst gering gehalten werden sollte.
  • Dabei ist zu beachten, dass die aufgeheizten Bauteile der Gasturbine, insbesondere solche Bauteile der Gasturbine, die Heißgaskontakt haben, vor allem also die Bauteile einer Brennkammer, mit Kühlluft gekühlt werden. Bisher ist es üblich, die Kühlluft dem Verdichter zu entnehmen und das zu kühlende Bauteil über eine Kühlluftführung von einer Eingangsseite her mit der Kühlluft zu beaufschlagen, d. h. die Kühlluft dem Bauteil zuzuführen und dieses dann mit Kühlluft anzuströmen.
  • Bisher ist es üblich, dabei das Prinzip einer so genannten offenen Kühlung anzuwenden und die Kühlluft nach Beaufschlagung des zu kühlenden Bauteils wieder vom Bauteil wegzuführen und entweder in die Umgebung abzugeben oder stromabwärts zu einem späteren Zeitpunkt der Brennkammer zuzuführen. Wird die Kühlluft der Brennkammer zugeführt, so hat dies oft zur Folge, dass eine nur unvollständige Verbrennung im Brennraum der Brennkammer stattfindet, da dort die vom Heißgas getragenen Verbrennungsgase bereits eine submaximale Temperatur haben. Dies wiederum führt zu einer erhöhten CO-Emission und einer erhöhten Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe durch die unvollständige Verbrennung. Darüber hinaus ist vor allem die Entstehung einer NOx-Emission zu begrenzen.
  • Die US 6530 223 B1 offenbart eine Brennstoff-Luft Mischvorrichtung für einen Radialdom einer Gasturbine. Der Brennstoff-Luft Mischer, der zur Verwendung in einem Dom eines Gasturbinen-Triebwerkbrenners eingerichtet ist, ist im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse durch den Brenner orientiert. Dieser bildet durch eine Anzahl von Auskleidungselementen einen Raum. Luft wird von außen durch diesen Raum mit Hilfe von Auskleidungsöffnungen in den Brennraum zugeführt. Die zuführenden Luftkanäle sind im Wesentlichen in Linie mit denen der Auskleidungsöffnungen, so dass die zuströmende Luft im Wesentlichen unmittelbar in den Brennerraum gelangt.
  • Die WO 99/46540 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkammer mit einem Brenner-Hitzeschild. In dem Brenner-Hitzeschild wird Brennstoff und Verbrennungsluft an einem Ende (brennerseitig) zugeführt. Anschließend wird dieses Gemisch am anderen Ende (turbinenseitig) durch Auslassöffnungen in die Ringbrennkammer entlassen. Weiterhin strömt das Gemisch anschließend in die Brennkammer, wo es eine zweitstufige Verbrennung auslöst. Es ist aber auch eine Verbrennung im Hitzeschild möglich.
  • Wünschenswert wäre ein Konzept zur Kühlung eines Bauteils einer Gasturbine, das bei einem vergleichbar guten Wirkungsgrad zur Senkung der Schadstoffemission beiträgt.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist ein Verfahren zur Kühlung eines Bauteils einer Gasturbine anzugeben und eine Vorrichtung mit einem zu kühlenden Bauteil anzugeben, bei dem das Kühlkonzept derart ausgestaltet ist, dass der Wirkungsgrad der Gasturbine nicht reduziert und die Schadstoffemission der Gasturbine gesenkt wird.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein eingangs genanntes Verfahren zur Kühlung heißgaskontaktierter Bauteile einer Gasturbine gemäß Anspruch 1.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass das bisher im Rahmen des offenen Kühlluftkonzepts verfolgte Lösungsprinzip unvorteilhaft hinsichtlich der Schadstoffemission der Gasturbine ist. Davon ausgehend hat die Erfindung nunmehr erkannt, dass es sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich der Schadstoffemission erweist, die Kühlluft im Rahmen eines geschlossenen Kühlluftkonzepts möglichst dem Brenner, d. h. insbesondere der Brennerströmung zuzuleiten. Dem folgend wird die Kühlluft bereits dem Brenneraustritt zugeführt und nicht erst dem Brennraum der Brennkammer. Auf diese Weise wird es nunmehr ermöglicht, dass die Kühlluft vollständig an der Vermischung mit Brennstoff im Brenner und an der Verbrennung in der dem Brenner nachgeschalteten Brennkammer teilnehmen kann. Durch die gemäß dem vorliegenden Konzept verbesserte Zumischung der Kühlluft erniedrigt sich insgesamt das Brennstoff-Luft-Verhältnis. Diese Maßnahme reduziert von vornherein die Verbrennungstemperatur auf ein vorteilhaftes Niveau und als Folge davon die Entstehung von NOx. Das geschlossene Kühlluftkonzept trägt somit zu einer wesentlichen Verringerung der NOx-Emission bei. Eine Emission von CO und sonstigen unverbrannten Kohlenwasserstoffen wird dennoch gering gehalten.
  • Die hier vorgeschlagene Zuführung der Kühlluft zum Brenneraustritt im Rahmen des geschlossenen Kühlkonzepts wird im Rahmen der Erfindung auf besonders effektive Weise dadurch erreicht, dass bei Betrieb des Brenners von der Eingangsseite bzw. dem Brennereintritt her zum Brenneraustritt bzw. der Brennkammer hin ein Druckgefälle in der Kühlluftführung bzw. im Brennerströmungskanal aufrechterhalten wird. Die Kühlluft wird unter Ausnutzung dieses Druckgefälles dem Brenneraustritt zugeführt. Auf diese Weise wird die Kühlluft also in den Brennerströmungskanal injiziert und infolge dieser Injektorwirkung vorteilhaft mit dem Brennstoff-Luftstrom vermischt. Dies erweist sich als besonders günstig in seiner Wirkung hinsichtlich des Verbrennungsablaufs und damit hinsichtlich der Senkung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses und im Ergebnis der Schadstoffemission. Kühlluftverluste werden dabei durch Dichtungen vermieden. Der volle Kühlluftmassenstrom nimmt an der Verbrennung teil. Das Druckgefälle wird so aufrechterhalten und dem Druckgefälle abträgliche Druckverluste durch Undichtigkeiten werden auf diese Weise vermieden, so dass die Injektorwirkung möglichst effektiv ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das Verfahren im Einzelnen zu realisieren.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch den eingangs genannten Brenner einer Gasturbine mit heißgaskontaktierten Bauteilen und einem einer Brennkammer vorgelagerten Brenneraustritt eines Brenners gemäß Anspruch 2 gelöst.
  • Mit einem derart ausgestalteten Brenner lässt sich das oben genannte Verfahren gemäß dem geschlossenen Kühlluftkonzept besonders vorteilhaft mit allen seinen Vorteilen realisieren.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des Brenners sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, den Brenner im Einzelnen zu realisieren.
  • Das heißt, der Druck am zu kühlenden Bauteil liegt vorteilhaft zwischen dem eingangsseitigen und dem brenneraustrittsseitigen Druck.
  • Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das hier vorgestellte Konzept der geschlossenen Kühlung auf ein Bauteil angewendet, das den Wirkungen des Heißgases besonders ausgesetzt ist, also auf ein zu kühlendes Bauteil der Brennkammer angewendet. Das heißt, die Vorteile des geschlossenen Konzepts erweisen sich als besonders vorteilhaft bei einem Bauteil aus der Gruppe bestehend aus Brennereinsatz, Nutring, Drallerzeuger und Brenneraustrittswand. Der Brenner wird nämlich am Gehäuse der Gasturbine gehalten und ist dort mit seinem Flansch befestigt. Der Drallerzeuger bildet zusammen mit seinen Schaufeln und einer äußeren und inneren Wand den Brennerströmungskanal am Brenneraustritt. Der Brennereinsatz ist über den Nutring in die Brennkammerwand eingehängt. Die weitere Anordnung ist im Detail der Zeichnung zu entnehmen.
  • Die Kühlluft sammelt sich im durch Brennereinsatz, Nutring, Drallerzeuger und Brenneraustrittswand gebildeten Raum und kühlt dabei vorteilhafter Weise diese Bauteile bevor die Kühlluft dem Brennerströmungskanal am Brenneraustritt zugeführt wird.
  • Davon ausgehend wird das Druckgefälle vorzugsweise durch zweckmäßig angeordnete Dichtungen möglichst effektiv aufrechterhalten. Vorteilhaft ist eine erste Dichtung zwischen dem Nutring und dem Drallerzeuger angeordnet. Eine zweite Dichtung ist vorteilhaft zwischen dem Brennereinsatz und der Brenneraustrittswand angeordnet. Besonders vorteilhaft ist eine dritte Dichtung zwischen dem Brennereinsatz und dem Nutring angeordnet. Auf diese Weise ist der obige Raum auf den bevorzugten zweiten Druck vorteilhaft stabilisiert, und zwar zwischen einem ersten eingangsseitigen und einem dritten brenneraustrittsseitigen Druck.
  • Die Erfindung führt auch auf eine Gasturbine mit einem oben erläuterten Brenner.
  • Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Die Zeichnung soll das Ausführungsbeispiel nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
  • Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:
    • FIG 1A
    einen umfänglich an einer Brennkammer angebrachten üblichen Brenner mit einem offenen Kühlkonzept ge- mäß dem Stand der Technik;
    FIG 1B
    eine umfänglich an einer Brennkammer angebrachte Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Brenners im Rahmen eines geschlossenen Kühlkonzepts.
  • FIG 1A ist eine Schnittdarstellung eines oberen Teils eines Brenners 1 gemäß dem Stand der Technik bei dem das bisher übliche offene Kühlluftkonzept verdeutlicht ist. Der untere Teil des Brenners 1 gemäß dem Stand der Technik ist in FIG 1A nicht dargestellt, sondern ergibt sich in seinem Prinzip durch eine Spiegelung an der Symmetrielinie 2. Der Brenner 1 gemäß dem Stand der Technik weist einen Brennereinsatz 3 auf, der mittels eines Nutrings 5 am Gehäuse der Gasturbine gehalten ist. Zum Ausgleich von ungleichen Wärmedehnungen ist der Drallerzeuger 7 gegenüber dem Nutring 5 verschieblich gelagert. Darüber hinaus ist bei dem dargestellten Brenner 1 gemäß dem Stand der Technik die aus Verdichterendluft gebildete Verbrennungsluftzuführung 4 und Brennstoffeindüsung 6 schematisch dargestellt. Die Kühlluftströmung des bei dem Brenner 1 gemäß dem Stand der Technik realisierten offenen Kühlluftkonzepts ist durch Pfeile dargestellt. Die Kühlluftströmung wird durch entsprechend ausgelegte Kanäle im Brennereinsatz 3 und im Nutring 5 gebildet. Auf diese Weise wird ein zu kühlendes heißgasumströmtes Bauteil, wie der Brennereinsatz 3, und die überwiegend durch Wärmeleitung aufgeheizten Bauteile, wie Nutring 5, Drallerzeuger 7 und Brenneraustrittswand 9 mit Kühlluft beaufschlagt. Das heißt, den Bauteilen 3, 7 und 9 wird Kühlluft zugeführt, indem sie angeströmt werden. Der Nutring 5 wird von Kühlluft durchströmt.
  • Die Kühlluft wird im Rahmen des üblichen offenen Kühlluftkonzepts nach Kühlen der Bauteile 3, 5, 7, 9 wieder von den Bauteilen weggeführt und in die Umgebung abgegeben. Die Kühlluft wird zu einem späteren Zeitpunkt der nicht dargestellten Brennkammer zugeführt, nimmt aber an der Verbrennung praktisch nicht teil. Dieses offene Kühlkonzept hat sich als nachteilig erwiesen. Die Zuführung der Kühlluft direkt in die Brennkammer führt zu einer Erhöhung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in der Flamme, dies hat höhere Verbrennungstemperaturen und damit erhöhte NOx-Emissionen zur Folge.
  • Demgegenüber zeigt FIG 1B den Schnitt eines unteren Teils einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners 11. Der obere Teil der Ausführungsform des Brenners 11 entspricht im Prinzip dem an der Symmetrielinie 2 gespiegelten unteren Teil. Diese Ausführungsform des Brenners 11 weist einen Brennereinsatz 13, einen Nutring 15 und einen Drallerzeuger 17 auf. Darüber hinaus ist schematisch die Verbrennungsluftzuführung 14 und die Brennstoffeindüsung 16 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform des Brenners 11 ist mit der Kühlluftführung 18, die durch entsprechende Kanäle in und am Brennereinsatz 13, dem Nutring 15, dem Drallerzeuger 17 und der Brenneraustrittswand 19 gebildet ist, ein geschlossenes Kühlluftkonzept realisiert. Die Kühlluftströmung ist dabei durch entsprechende Pfeile angedeutet. Neben den zu kühlenden Bauteilen 13, 15, 17, 19 dieser Ausführungsform des Brenners 11 weist der Brenner 11 einen einer nicht dargestellten Brennkammer einer Gasturbine vorgelagerten Brenneraustritt 40 des Brenners 11 auf. Die zu kühlenden Bauteile, d. h. der Brennereinsatz 13, der Nutring 15, der Drallerzeuger 17 und eine Brenneraustrittswand 19, werden über die Kühlluftführung 18 von einer Eingangsseite 23 her mit der Kühlluft beaufschlagt. Das heißt, die Kühlluft wird über die Eingangsseite 23 dem Bauteil 13, 15, 17, und 19 zugeführt und das Bauteil 13, 15, 17, und 19 wird angeströmt. Durch die die Kühlluftführung 18 bildenden Kanäle wird zudem der Brennereinsatz 13, der Nutring 15 und der Drallerzeuger 17 von der Kühlluft durchströmt. Im Unterschied zum oben erläuterten Brenner 1 gemäß dem Stand der Technik ist bei der hier dargestellten Ausführungsform des Brenners 11 ein geschlossenes Kühlluftkonzept im Rahmen der Kühlluftführung 18 verwirklicht. Das heißt, bei Betrieb des Brenners im Rahmen des geschlossenen Kühlluftkonzepts wird von der Eingangsseite 23 zum Brenneraustritt 21 des Brenners 11 hin ein durch die Drücke p1, p2 und p3 gekennzeichnetes Druckgefälle in der Kühlluftführung 18 aufrechterhalten und die durch Pfeile dargestellte Kühlluft wird unter Ausnutzung des Druckgefälles p1 > p2 > p3 dem Brenneraustritt 21 zugeführt. Dabei ist der Brenneraustritt 21 des Brenners 11 der nicht dargestellten Brennkammer vorgelagert. Die Kühlluft wird also zu einem besonders frühen Zeitpunkt der Verbrennungsluft zugegeben und kann zur Schadstoffemissionsverringerung beitragen.
  • Die herrschenden Drücke p1, p2, p3 sind in der FIG 1B eingetragen. Der erste Druck p1 ist größer als der zweite Druck p2 und der zweite Druck p2 ist größer als der dritte Druck p3. Der erste Druck p1 ist auf der Eingangsseite 23 gebildet und entspricht dem Druck der dem Brenner zugeführten Luft. Der zweite Druck p2 ist ein Druck, der in einem Raum 25 gebildet ist, der vom Brennereinsatz 13, dem Nutring 15, dem Drallerzeuger 17 und der Brenneraustrittswand 19 gebildet wird. Auf diese Weise werden also vier Bauteile 13, 15, 17, 19 vorteilhaft gekühlt. Die Spanne des Druckgefälles p1 > p2 > p3 wird durch den Druck p3 auf der Seite des Brenneraustritts 21 und den Druck p1 auf der Eingangsseite 23 vorgegeben.
  • Der Druck p2 im Raum 25 wird vor allem dadurch aufrechterhalten und stabilisiert, dass der Raum 25 mit Dichtungen 30, 31 und 32 gegen ein Entweichen der Kühlluft abgedichtet ist. Dabei ist eine erste Dichtung 32 zwischen dem Nutring 15 und dem Drallerzeuger 17 angeordnet. Eine zweite Dichtung 31 ist zwischen dem Brennereinsatz 13 und der Brenneraustrittswand 19 angeordnet. Eine dritte Dichtung 30 ist zwischen dem Brennereinsatz 13 und dem Nutring 15 angeordnet. Die durch das Druckgefälle p1 > p2 > p3 erzeugte Injektorwirkung auf die Kühlluft führt dazu, dass die Kühlluft durch das Kühlluftsystem 18 durch einen Kühlluftaustritt 27 in den Brenneraustritt 21 injiziert wird und sich auf diese Weise innig und direkt mit der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluft und dem Brennstoff aus der Brennstoffeindüsung 16 vermischt und somit besonders vorteilhaft an der Verbrennung in der Brennkammer teilnehmen kann.
  • Eine möglichst vollständige Teilnahme der Kühlluft an der Verbrennung einer Gasturbine hat u. a. den Vorteil, dass die NOx-Emission bei der Verbrennung verringert wird.
  • Zusammenfassend wird bei einem Verfahren zur Kühlung eines Bauteils 13, 15, 17, 19 einer Gasturbine mit einem einer Brennkammer vorgelagerten Brenneraustritt 21 eines Brenners 11 das Bauteil 13, 15, 17, 19 über eine Kühlluftführung 18 von einer Eingangsseite 23 her mit Kühlluft beaufschlagt. Gemäß dem hier vorgeschlagenen Konzept wird bei Betrieb des Brenners 11 von der Eingangsseite 23 zum Brenneraustritt 21 hin ein Druckgefälle p1 > p2 > p3 in der Kühlluftführung 18 aufrechterhalten und die Kühlluft unter Ausnutzung des Druckgefälles p1 > p2 > p3 dem Brenneraustritt 21 zugeführt. Dementsprechend weist ein Brenner 11 ein zu kühlendes Bauteil 13, 15, 17, 19, einen einer Brennkammer einer Gasturbine vorgelagerten Brenneraustritt 21 des Brenners 11 und eine das Bauteil 13, 15, 17, 19 von einer Eingangsseite 23 her mit Kühlluft beaufschlagende Kühlluftführung 18 auf. Dabei weist die Kühlluftführung 18 gemäß dem hier vorgeschlagenen Konzept ein Kühlluftaustritt 27 in den Brenneraustritt 21 auf und bei Betrieb des Brenners 11 besteht ein Druckgefälle p1 > p2 > p3 in der Kühlluftführung 18 von der Eingangsseite 23 zum Brenneraustritt 21 hin.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Kühlung heißgaskontaktierter Bauteile (13, 15, 17, 19) einer Gasturbine mit einem einer Brennkammer vorgelagerten Brenneraustritt (21) eines Brenners (11), wobei die dem Brenner (11) zugeordneten Bauteile (13, 15, 17, 19) einen Brennereinsatz (13), einen Nutring (15), einen Drallerzeuger (17) und eine Brenneraustrittswand (19)umfassen und über eine Kühlluftführung (18) von einer kühlluftführungsseitigen Eingangsseite (23) her mit Kühlluft beaufschlagt werden und wobei bei Betrieb des Brenners (11)
    - ein Druckgefälle (p1 > p2 > p3) in der Kühlluftführung (18) einen ersten Druck (p1) auf der Eingangsseite (23) aufweist, einen zweiten Druck (p2) in einem durch Brennereinsatz (13), Nutring (15), Drallerzeuger (17) und Brenneraustrittswand (19)erzeugten Raum (25) aufweist, und einen dritten Druck (p3) im Brennerraum auf der Seite des Brenneraustritts (21) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Druckgefälle (p1 > p2 > p3) aufrechterhalten und stabilisiert wird, indem die Kühlluftführung (18) und die zu kühlenden, den Raum (25) erzeugenden, Bauteile (13, 15, 17, 19) gegen ein Entweichen der Kühlluft durch zusätzliche Dichtungselemente (30, 31, 32) abgedichtet werden, wobei
    - je ein Dichtungselement zwischen dem Nutring (15) und dem Drallerzeuger (17),zwischen dem Brennereinsatz (13) und der Brenneraustrittswand (19), sowie zwischen dem Brennereinsatz (13) und dem Nutring (15) angeordnet wird, so dass
    - auf effektive Weise diese, den Raum (25) erzeugenden, Bauteile (13, 15, 17, 19) gekühlt werden und die Kühlluft unter Ausnutzung dieses Druckgefälles (p1 >p2 > p3) dem Brenneraustritt (21) möglichst vollständig zugeführt wird.
  2. Brenner (11)einer Gasturbine mit heißgaskontaktierten Bauteilen (13, 15, 17, 19) und einem einer Brennkammer vorgelagerten Brenneraustritt (21), wobei die dem Brenner (11) zugeordneten Bauteile (13,15,17,19) einen Brennereinsatz (13), einen Nutring (15), einen Drallerzeuger (17) und eine Brenneraustrittswand (19) umfassen und über eine Kühlluftführung (18) mit Kühlluft beaufschlagt werden, wobei die Kühlluftführung (18) eine Eingangsseite (23) und einen Kühlluftaustritt (27) in den Brenneraustritt (21) aufweist und wobei bei Betrieb des Brenners (11)
    - ein Druckgefälle (p1 > p2 > p3) in der Kühlluftführung (18) einen ersten Druck (p1) auf der Eingangsseite (23) aufweist, einen zweiten Druck (p2) in einem durch Brennereinsatz (13), Nutring (15), Drallerzeuger (17) und Brenneraustrittswand (19)erzeugten Raum (25) aufweist, und einen dritten Druck (p3) im Brennraum auf der Seite des Brenneraustritts (21) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufrechterhaltung des Druckgefälles (p1 > p2 > p3) die Kühlluftführung (18) und die zu kühlenden, den Raum (25) erzeugenden, Bauteile (13, 15,17, 19) gegen ein Entweichen der Kühlluft durch zusätzliche Dichtungselemente (30,31, 32) abgedichtet sind, wobei
    - je ein Dichtungselement zwischen dem Nutring (15) und dem Drallerzeuger (17),zwischen dem Brennereinsatz (13) und der Brenneraustrittswand (19), sowie zwischen dem Brennereinsatz (13) und dem Nutring (15) angeordnet ist.
  3. Gasturbine mit einem Brenner (11) nach Anspruch 2.
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