EP1767855A1

EP1767855A1 - Brennkammer und Gasturbinenanlage

Info

Publication number: EP1767855A1
Application number: EP05021085A
Authority: EP
Inventors: Uwe Gruschka
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-03-28
Also published as: US20090133378A1; WO2007036486A1; EP1934523A1; US8393161B2; EP1934523B1

Abstract

Es wird eine Brennkammer mit einem Brenner (1) und einem den Brenner (1) unter Belassung eines zum Brennkammerinneren (2) hin offenen Spaltes (29) umgebenden Brennereinsatz (3) zur Verfügung gestellt. Der Brennereinsatz (3) umfasst einen Träger (7) und eine dem Träger (7) zum Brennkammerinneren (2) hin vorgelagerte Brennereinsatzwand (9), wobei ein mit einer Kühlfluidquelle (4) in Verbindung stehender Strömungskanal (13) zwischen dem Träger (7) und der Brennereinsatzwand (9) gebildet ist. Der Strömungskanal (13) mündet in den Spalt (29) zwischen dem Brenner (1) und dem Brennereinsatz (3) und ist im Übrigen gegen das Brennkammerinnere (2) abgedichtet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere eine Brennkammer für eine Gasturbinenanlage, mit einem Brenner und einem den Brenner unter Belassung eines zum Brennkammerinneren hin offenen Spaltes umgebenden Brennereinsatz. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenanlage mit einer derartigen Brennkammer.
Eine Gasturbinenanlage ist eine Strömungsmaschine, die im Wesentlichen einen Verdichterabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen zwischen dem Verdichterabschnitt und dem Turbinenabschnitt angeordneten Brennerabschnitt mit einer oder mehreren Brennkammern umfasst. Im Betrieb der Gasturbinenanlage wird Umgebungsluft durch den Verdichter angesaugt und auf einen erhöhten Druck verdichtet. Die verdichtete Luft wird dem Brennerabschnitt zugeführt, wo sie mittels eines Brenners in einer Brennkammer verbrannt wird. Das aufgrund der Verbrennung heiße und unter hohem Druck stehende Verbrennungsabgas wird schließlich als ein Arbeitmedium dem Turbinenabschnitt zugeführt, wo es unter Arbeitsleistung entspannt und abkühlt, wobei die Energie des Arbeitsmediums in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Die im Turbinenabschnitt in mechanischer Arbeit umgewandelte Energie dient einerseits zum Antreiben des Verdichters und andererseits zum Antreiben eines Verbrauchers, beispielsweise eines Generators zum Erzeugen von Elektrizität.
In modernen Gasturbinenanlagen kommt zumeist die sogenannte Vormischverbrennung zur Anwendung. In der Vormischverbrennung wird der Brennstoff erst mit einem Oxidationsmittel, in der Regel Luft, vermischt, bevor das Gemisch gezündet wird. Bei der Vormischverbrennung kommt häufig auch ein gesonderter Brennstoffmassenstrom zur Anwendung, der zum Stabilisieren der Flamme Verwendung findet und als Pilotbrennstoffmassenstrom bezeichnet wird. Der Pilotbrennstoffmassenstrom wird über ein von der Hauptbrennstoffzufuhr gesondertes Zufuhrsystem zugeleitet. Er dient dazu, die Flamme vor Instabilitäten aufgrund des thermoakustischen Verhaltens der Verbrennung zu bewahren. Eine Vormischverbrennung, in der ein Pilotgassenstrom zur Anwendung kommt wird auch pilotierte Vormischverbrennung genannt. In einer pilotierten Vormischverbrennung hängt die NO_x-Emission des Verbrennungssystems von der Menge des zugeführten Pilotbrennstoffmassenstroms ab. Je niedriger der Pilotbrennstoffmassenstrom ist, desto geringer ist auch die NO_x-Emission.
Eine Brennkammer mit einem für eine pilotierte Vormischverbrennung ausgebildeten Brenner ist beispielsweise in US 2005/0016178 A1 beschrieben. Der Brenner ist von einem Brenneinsatz umgeben, wobei zwischen dem Brennereinsatz und dem Brenner ein zum Brennkammerinneren hin offener Ringspalt vorhanden ist. Zum Brennkammeräußeren hin ist der Ringspalt abgedichtet. Der Brennkammereinsatz umfasst einen Träger sowie eine dem Träger zum Brennkammerinneren hin vorgelagerte Brennereinsatzwand, welche gleichzeitig die Brennkammerwand im Bereich des Brenners bildet. Um die Brenneinsatzwand kühlen zu können, ist zwischen der Brennereinsatzwand und dem Träger ein Kühlluftkanal gebildet, der vom Brennkammeräußeren her mit Kühlluft versorgt wird. Dieser Kühlluftkanal ist gegen den Ringsspalt zwischen dem Brennereinsatz und dem Brenner abgedichtet. Am vom Brenner entfernten Ende der Brennereinsatzwand ist zudem eine Öffnung zum Brennkammerinneren hin vorhanden, über die die durch den Kühlluftkanal strömende Kühlluft in das Brennkammerinnere abgeführt wird.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennkammer mit einem Brenner und einem den Brenner umgebenden Brennereinsatz zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Gasturbinenanlage zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch eine Brennkammer mit einem Brenner und einem den Brenner umgebenden Brennereinsatz nach Anspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe durch eine Gasturbinenanlage nach Anspruch 8.
Eine erfindungsgemäße Brennkammer ist mit einem Brenner und einem den Brenner umgebenden Brennereinsatz ausgestattet. Der Brenner kann insbesondere zur pilotierten Vormischverbrennung geeignet sein. Zwischen dem Brenner und dem Brennereinsatz ist ein zum Brennkammerinneren hin offener Spalt belassen. Der Brennkammereinsatz umfasst einen Träger und eine dem Träger zum Brennkammerinneren hin vorgelagerte Brennereinsatzwand, zwischen denen ein mit einer Kühlfluidquelle in Verbindung stehender Strömungskanal gebildet ist. Der Strömungskanal mündet in den Spalt zwischen dem Brenner und dem Brennereinsatz und ist im Übrigen gegen das Brennkammerinnere abgedichtet.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkammer ermöglicht es, zum Kühlen der Brennereinsatzwand, die in der Regel auch die Brennkammerwand bildet, verwendetes Kühlfluid in den Spalt zwischen dem Brenner und den Brennereinsatz einzuleiten. Auf diese Weise kann ein Einbringen von Kühlfluid, in der Regel Kühlluft, unmittelbar am Brennerausgang erfolgen. Durch das Einbringen von Kühlfluid in unmittelbarer Nähe des Brennerausgangs in die Brennkammer lässt sich eine Verbesserung des thermoakustischen Verhaltens der Verbrennungsabgase in der Brennkammer erzielen. Aufgrund des verbesserten thermoakustischen Verhaltens kann eine Absenkung der Pilotgasmenge vorgenommen werden, woraus eine Reduzierung der NO_x-Emissionen folgt.
Im eingangs beschriebenen Stand der Technik ist es hingegen aufgrund der Führung der Kühlluft vom Brenner weg nicht möglich, die Kühlluft in der Nähe der Brenneröffnung in die Brennkammer einzuleiten.
Konstruktiv ist die Brennereinsatzwand in der Regel mittels einer im Bereich des Strömungskanals in eine Nut des Trägers eingreifenden Rippe am Träger befestigt. Um den Strömungskanal zum Spalt zwischen dem Brenner und dem Brennereinsatz zu öffnen, weist die Rippe in diesem Fall wenigstens eine den Durchtritt von Kühlfluid ermöglichende Durchgangsöffnung, beispielsweise wenigstens eine Bohrung, auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkammer weist der Träger Kühlfluidkanäle auf, die mittelbar oder unmittelbar mit der Kühlfluidquelle in Verbindung stehen und in den Strömungskanal münden. Es sind jedoch auch konstruktive Ausgestaltungen möglich, welche den Kühlfluidstrom am Träger vorbei in den Strömungskanal leiten. Beide Ausgestaltungen können zudem auch miteinander kombiniert werden.
Falls der Spalt zwischen dem Brenner und dem Brennereinsatz an keiner Stelle zu einem Brennkammerplenum hin konstruktiv geschlossen ist, ist zwischen dem Brenner und dem Brennereinsatz eine den Spalt zum Brennkammerplenum hin abdichtende Dichtung vorhanden. Dadurch lässt sich verhindern, dass Kühlfluid unter Umgehung des Strömungskanals in den Spalt zwischen Brenner und Brennereinsatz strömt.
Die erfindungsgemäße Brennkammer kann insbesondere als axialsymmetrische Ringbrennkammer mit einer Anzahl von um die Symmetrieachse verteilten Brennern und wenigstens einem Brennereinsatz ausgestaltet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkammer weist die Brennereinsatzwand eines Brennereinsatzes wenigstens eine Stoßkante auf, an der sie an eine Stoßkante eines benachbarten Brennereinsatzes oder an eine Brennkammerwand angrenzt. Zwischen den Stoßkanten benachbarter Brennereinsätze und/oder zwischen der Stoßkante und der Brennkammerwand ist dann eine Dichtung vorhanden, welche die Brennereinsatzwand gegen das Brennkammerinnere hin abdichtet. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass das durch den Strömungskanal strömende Kühlfluid statt durch den Spalt zwischen dem Brenner und dem Brennereinsatz durch Spalte zwischen benachbarten Brennereinsätzen oder zwischen einem Brenneinsatz und der Brennkammerwand in die Brennkammer strömt.
Eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage ist mit einer erfindungsgemäßen Brennkammer ausgestattet.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

FIG 1: zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Brennkammer mit einem Brenner und einem Brennereinsatz,
FIG 2: zeigt den Brennereinsatz aus FIG 1 in einer schematischen Draufsicht,
FIG 3: zeigt einen Ausschnitt aus FIG 1 im Detail.

Ein Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Brennkammer ist in FIG 1 in einer Schnittansicht gezeigt. Es sind ein Brenner 1, ein Brennereinsatz 3, welcher den Brenner 1 ringförmig umgibt, und ein Teil der Brennkammerwand 5 zu erkennen. Die Brennkammer ist in einem Brennkammerplenum 4 angeordnet und erstreckt sich ringförmig um eine Turbinenwelle (nicht dargestellt). Der Brenner 1 ist in eine Aufnahme des Brennereinsatzes 3 eingesetzt. Der Brennereinsatz 3 grenzt an die Brennkammerwand 5 an und schließt die Brennkammer ab.
Der Brennereinsatz 3 umfasst einen Träger 7, der als Nutring ausgebildet ist. In diesem verlaufen eine oder mehrere Ringnuten um den Brenner 1 herum, durch die Kühlluft zum Brenner 1 zugeführt werden kann. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind die Nuten nicht eingezeichnet.
Dem Nutring 7 zum Brennkammerinneren 2 hin vorgelagert ist eine Brennereinsatzwand 9 vorhanden, welche gleichzeitig die den Brenner 1 umgebende Abschlusswand der Brennkammer 1 darstellt. Die Brennereinsatzwand 9 weist einen umlaufenden Steg 23 auf, mit dem die Wand in eine Nut 21 des Nutringes 7 eingesetzt und dort gehalten ist. Durch Bohrungen 11, 15 im Nutring 7 lässt sich die dem Brennkammerinneren 2 abgewandte Seite der Brennereinsatzwand 9 mit Kühlluft anblasen, um eine Prallkühlung zu bewirken.
Der Nutring 7, die Brennereinsatzwand 9 sowie ein Ausschnitt der Brennkammerwand 5 und ein Ausschnitt des Brenners 1 sind in FIG 3 vergrößert dargestellt. Zwischen dem Nutring 7 und der Brennereinsatzwand 9 ist ein Strömungskanal 13 gebildet, dem vom Brennkammerplenum 4 her Kühlluft als Kühlfluid zugeführt wird. In diesem Sinne kann das Brennkammerplenum 4 als eine Kühlfluidquelle angesehen werden. Die Strömungspfade der Kühlluft sind in FIG 3 durch Pfeile angedeutet.
Im Nutring 7 sind Bohrungen 11, 15 vorhanden, durch welche die Brennereinsatzwand 9 mit Kühlluft angeblasen werden kann, um eine Prallkühlung der Brennereinsatzwand 9 zu bewirken. Um zu verhindern, dass die Kühlluft im Bereich der Stoßkante 17, mit der die Brennereinsatzwand 9 an die Brennkammerwand 5 angrenzt, in das Brennkammerinnere 2 strömt, ist eine Dichtung 19 zwischen der Stoßkante und der Brennkammerwand 5 angeordnet. Die Dichtung ist vorzugsweise flexibel, um thermische Dehnungen kompensieren zu können. Sie kann z.B. als Metall hergestellt sein.
Der Steg 23, mit dem die Brennereinsatzwand 9 in der Haltenut 21 des Nutringes 7 gehalten ist, sind Bohrungen 25 vorhanden, die es ermöglichen, dass die Kühlluft auf den Brenner 1 zuströmt. Von der Brennerwand 27 wird die Kühlluft in Richtung auf das Innere der Brennkammer umgelenkt und strömt durch den Ringspalt 29 zwischen der Brennerwand 27 und der Brennereinsatzwand 9 in das Innere 2 der Brennkammer ein.
Gegen das Brennkammerplenum 4 ist der Zwischenraum zwischen dem Brenner 1 und dem Brennereinsatz 3 durch einen als Dichtung dienender Kolbenring 31 abgedichtet.
In der erfindungsgemäßen Brennkammer strömt die zur Kühlung der Brennereinsatzwand 9 herangezogene Kühlluft unmittelbar neben dem Brennerausgang 33 durch einen Ringspalt 29 in die Brennkammer ein und wird dem Verbrennungsprozess zugeführt. Dies verbessert das thermoakustische Verhalten der Brennkammer und ermöglicht dadurch eine Verringerung der zugeführten Pilotbrennstoffmenge und damit zu einer Verringerung der NO_x-Emissionen.
Eine Draufsicht auf den Brennereinsatz 3 und den Brenner 1 vom Brennkammerinneren aus gesehen ist in FIG 2 dargestellt. Durch Pfeile sind die Strömungspfade der Kühlluft entlang der Brennkammereinsatzwand 9 angedeutet.
Im Zentrum des Brennereinsatzes 3 ist die die Brenneröffnung 33 umgebende Brennerwand 27 zu erkennen. Zwischen der Brennereinsatzwand 9 und der Brennwand 27 befindet sich der Ringspalt 29, durch den die zum Kühlen der Brennereinsatzwand 9 verwendete Kühlluft in das Brennkammerinnere 2 einströmt. Die in FIG 2 dargestellte Brennkammer ist eine Ringbrennkammer, die axialsymmetrisch um einen Turbinenläufer herum angeordnet ist. In der Figur sind die radial äußere Brennkammerwand 5A und die radial innere Brennkammerwand 5B zu erkennen. Zwischen den Brennkammerwänden 5A, 5B und den den Brennkammerwänden 5A, 5B zugewandten Stoßkanten 17A, 17B der Brennereinsatzwand 9 sind Dichtungen 19A und 19B vorhanden, welche den Strömungskanal des Brennkammereinsatzes 3 gegen das Brennkammerinnere 2 abdichten.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist für jeden Brenner 1 ein eigener Brennereinsatz 3 vorhanden. Die Brennereinsätze 3 grenzen in Umfangsrichtung der Brennkammer aneinander an. Spalte zwischen einander gegenüberliegenden Stoßkanten 17C, 17D von Brennereinsatzwänden 9 benachbarter Brennereinsätze 3 sind ebenfalls mit Dichtungen 19C, 19D gegen das Brennkammerinnere abgedichtet, um ein Ausströmen von Kühlluft durch diese Spalte zu verhindern. Alternativ ist es jedoch auch möglich, einen einzigen ringförmigen Brennereinsatz mit einer Mehrzahl von Aufnahmen für Brenner vorzusehen.
Zum Schluss sein noch angemerkt, dass der durch den Strömungskanal 13 dem Brennkammerinneren 2 zugeführte Luftmassenstrom nur wenige Prozent des durch den Brenner 1 zugeführten Luftmassenstroms entspricht. Vorzugsweise beträgt der durch den Strömungskanal 13 zugeführte Luftmassenstrom weniger als ca. 5% des durch den Brenner 1 zugeführten Luftmassenstroms.
Zwar wurde die Erfindung anhand einer Ringbrennkammer erläutert, jedoch kann die Brennkammer auch als in etwa zylindrische Brennkammer mit wenigstens einem Brenner und wenigstens einem Brennereinsatz an der Stirnseite des Zylinders ausgestaltet sein.

Claims

Brennkammer mit einem Brenner (1) und einem den Brenner (1) unter Belassung eines zum Brennkammerinneren (2) hin offenen Spaltes (29) umgebenden Brennereinsatz (3), welcher einen Träger (7) und eine dem Träger (7) zum Brennkammerinneren (2) hin vorgelagerte Brennereinsatzwand (9) umfasst, wobei ein mit einer Kühlfluidquelle (4) in Verbindung stehender Strömungskanal (13) zwischen dem Träger (7) und der Brennereinsatzwand (9) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Strömungskanal (13) in den Spalt (29) zwischen dem Brenner (1) und dem Brennereinsatz (3) mündet und im Übrigen gegen das Brennkammerinnere (2) abgedichtet ist.
Brennkammer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinsatzwand (9) mittels einer im Bereich des Strömungskanals (13) in eine Nut (21) des Trägers (7) eingreifenden Rippe (23) am Träger (7) befestigt ist und die Rippe (23) wenigstens eine den Durchtritt von Kühlfluid ermöglichende Durchgangsöffnung (25) aufweist.
Brennkammer nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Durchgangsöffnung als Bohrung (25) durch die Rippe ausgestaltet ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (7) mittelbar oder unmittelbar mit der Kühlfluidquelle (4) in Verbindung stehende Kühlfluidkanäle (11, 15) aufweist, die in den Strömungskanal (13) münden.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger (7) und dem Brenner (1) eine den Spalt (29) zu einem Brennkammerplenum hin abdichtende Dichtung (31) vorhanden ist.
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch ihre Ausgestaltung als axialsymmetrische Ringbrennkammer mit einer Anzahl von um die Symmetrieachse verteilten Brennern (1) und wenigstens einem Brennereinsatz (3).
Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinsatzwand (9) eines Brennereinsatzes (3) wenigstens eine Stoßkante (17) aufweist, an der die Brennereinsatzwand (9) an eine Stoßkante (17) eines benachbarten Brennereinsatzes (3) oder an eine Brennkammerwand (5) angrenzt und dass zwischen den Stoßkanten (17) benachbarter Brennereinsätze (3) und/oder zwischen der Stoßkante (17) und der Brennkammerwand (5) eine Dichtung (19) vorhanden ist, welche die Brennereinsatzwand (9) gegen, das Brennkammerinnere (2) hin abdichtet.
Gasturbinenanlage mit einer Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche.