EP2602550A1 - Brennkammer für eine Gasturbine und Gasturbine - Google Patents

Brennkammer für eine Gasturbine und Gasturbine Download PDF

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Publication number
EP2602550A1
EP2602550A1 EP11192812.3A EP11192812A EP2602550A1 EP 2602550 A1 EP2602550 A1 EP 2602550A1 EP 11192812 A EP11192812 A EP 11192812A EP 2602550 A1 EP2602550 A1 EP 2602550A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
section
outlet
gas turbine
cross
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11192812.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Dr. Beck
Olga Deiss
Werner Dr. Krebs
Bernhard Dr. Wegner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP11192812.3A priority Critical patent/EP2602550A1/de
Publication of EP2602550A1 publication Critical patent/EP2602550A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/12—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour characterised by the shape or arrangement of the outlets from the nozzle
    • F23D11/14—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour characterised by the shape or arrangement of the outlets from the nozzle with a single outlet, e.g. slit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F23D14/583—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration of elongated shape, e.g. slits

Definitions

  • Known gas turbines comprise, in addition to a combustion chamber, a compressor and a turbine.
  • the compressor compresses air supplied to the gas turbine, a portion of which air is used to combust fuel in the combustion chamber and a portion is used to cool the gas turbine and / or the combustion gases.
  • the hot gases provided by the combustion process in the combustion chamber are introduced into the turbine from the combustion chamber, where they relax and cool, causing turbine blades to rotate under the action of work.
  • the work machine may be, for example, a generator.
  • Modern gas turbines should meet the requirements in terms of pollutant emissions and environmental friendliness in a wide operating range. The fulfillment of these requirements depends essentially on the combustion system used in the gas turbine.
  • lean premixes of the fuel may be used to reduce emissions of nitrogen oxides (NOx).
  • NOx nitrogen oxides
  • the emission of nitrogen oxides can also be positively influenced by reducing the residence time of the gases in the combustion chamber.
  • high turbine inlet temperatures are sought, which are associated with high flame temperatures in the combustion chamber.
  • the aforementioned premixed flames are susceptible to thermoacoustic instabilities due to the high thermal power density and the NOx emissions increase exponentially with increasing flame temperature.
  • the residence time of the combustion gases generated by the second burner arrangement in the combustion chamber is reduced so that a reduction of the nitrogen oxide emissions can be achieved by means of such a second axial stage.
  • the admission of the axial stage with fuel can only take place at relatively high loads.
  • the fuel supply to the axial stage is completely shut off and then behaves as an air bypass. This allows the primary zone to operate at very low loads with a high local flame temperature, which ensures good burnout and low CO emissions.
  • the airborne axial stage therefore equally serves to expand the operating range of the combustion system to lower and higher loads.
  • the invention has for its object to provide a combustion chamber of the type mentioned and a gas turbine with such a combustion chamber, which can be operated in a wide operating range particularly low pollution and fail-safe.
  • the object is achieved in a combustion chamber of the type mentioned above in that the outlet cross-section has a lengthened in the main flow direction exit form.
  • inlet passages Due to the extended in the direction of the main flow exit shape of the inlet passages can be achieved with little or no Hereinragen in the hot gas flow over classic inlet passages with a circular outlet cross-section high penetration depth with the same cross-sectional area. This reduces the likelihood of flashback into the bleed passages and generally reduces the thermal load on the bleed passages.
  • At least one of the inlet passages has an outlet cross-section with an outlet shape which is elongated in the main flow direction.
  • the outlet cross-section in the main flow direction has a larger diameter than transversely thereto in the circumferential direction of the combustion chamber section. The same applies if the inlet passage projects obliquely into the combustion chamber section.
  • the main flow direction is the main flow direction of the working gas in the combustion chamber and not around the direction of flow of the fuel / air mixture in the inlet passage.
  • all or a number of the inlet passages may have an outlet cross section with an outlet shape which is elongated in the main flow direction, wherein the extension, that is to say the ratio of the two diameters of the outlet cross section, can vary from inlet passage to inlet passage.
  • the penetration depth of the fuel / air mixture can thereby be varied and the temperature profile at the turbine inlet adjusted in such a way that a reduction of the pollutant emissions is made possible. This also indirectly allows a lower cooling air consumption of the machine.
  • the high penetration depth of the fuel / air mixture enables an improved mixing process between the first working gas stream of the primary zone from the first combustor section and the second working gas stream injected in the second axial step, thereby reducing NOx formation.
  • the adjustment of the turbine inlet profile - ie the velocity and temperature distribution at the outlet of the combustion chamber or the entrance of the turbine - can take into account not only a reduction of the pollutant emissions but also a gentle adaptation to the turbine blades. This profile significantly determines the cooling air consumption and therefore the efficiency as well as the NOx emissions of the machine.
  • Such a turbine inlet profile can, for example, have at the outlet of the combustion chamber a temperature profile matched to one another over the area of the outlet. Depending on the specific design of the combustion chamber and the turbine also deviating temperature profiles can allow for particularly reduced pollutant emissions and contribute to the conservation of the turbine.
  • the first burner arrangement for combustion of a first first working gas flow to be ignited in the first combustion chamber section can be connected to at least one fuel supply line and has at least one air supply connection on.
  • the first burner arrangement can be arranged at the end of the combustion chamber facing the compressor.
  • the first burner assembly may include a plurality of burners, which may be arranged, for example, in axially offset groups arranged at the upstream beginning of the first combustion chamber portion.
  • the second burner arrangement can be connectable to the first burner arrangement.
  • the second burner arrangement provides, for example, a fuel / air mixture, wherein the fuel is mixed with the air in the introduction passage.
  • the burner arrangement may be arranged in the region of the second combustion chamber section such that the second burner arrangement is arranged outside the combustion chamber in the circumferential direction around it, wherein the inlet passages protrude into or open into the combustion space.
  • an air stream can be introduced into an inlet region of the inlet passage, the fuel flowing in the direction of exit is admixed fuel from a nozzle injecting the fuel.
  • the fuel may be liquid or gaseous fuel.
  • inert components such as steam, nitrogen, carbon dioxide can be added to the fuel.
  • inert components such as steam, nitrogen, carbon dioxide
  • the fuel may then be burned in a diffusion-like regime in the second combustor section adjoining the first combustor section.
  • the outlet cross section has an oval shape.
  • This ellipse lies in the radial direction into the combustion chamber projecting inlet passages with their long major axis (c1) in the direction of the main flow and offers with the transverse to the main flow short half-axis (c2) only a low attack resistance for the main flow. The same applies to obliquely projecting into the combustion chamber inlet passages.
  • At least one inlet passage has a cross section which reduces towards the exit.
  • the cross-sectional area of the injector should be continuously reduced and the flow thus accelerated.
  • the cross-section of the inlet passage in the flow direction decreases to the outlet by at most half.
  • Ideal is an area ratio of 0.7 between exit and inlet of the injector. Depending on the application, values in the range between 0.5 - 1.0 make sense.
  • the cross-section of the inlet passage in the flow direction decreases by a factor of 0.7 up to the outlet.
  • the inlet passages have a tubular configuration.
  • Another object of the invention is to provide a gas turbine with at least one combustion chamber, which in a wide Operating range can be operated particularly low in emissions and fail-safe.
  • combustion chamber of the gas turbine is designed according to at least one of claims 1 to 6.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a gas turbine 101 according to the prior art.
  • the gas turbine 101 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 104, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 106 a compressor 108, a combustion system 109 with a number of combustion chambers 110, each comprising a burner assembly 111 and a housing 112, a turbine 114 and an exhaust housing 115th
  • the combustion system 109 communicates with a, for example, annular hot gas channel.
  • a turbine stage connected in series form the turbine 114.
  • Each turbine stage is formed of blade rings. Viewed in the direction of flow of a working medium follows in the hot runner of a 117 formed from vanes row formed from blades 118 row.
  • the vanes 117 are attached to an inner casing of a stator 119, whereas the vanes 118 of a row are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk, for example.
  • Coupled to the rotor 103 is, for example, a generator (not shown).
  • the FIG. 2 shows a section of a combustion chamber 210 with a second axial stage according to the prior art in a schematic sectional view.
  • the combustor 210 includes a first combustor section 220 and a second combustor section 221 including a housing 212, a first combustor assembly (not shown), and a second combustor assembly (partially shown).
  • the second burner assembly includes a peripheral fuel distributor ring 224 disposed outside the housing 212 and a plurality of inlet passages 225 disposed around the housing, which open into the second combustor section 221.
  • the introduction passages 225 do not protrude substantially into the housing 212, but terminate flush with an inner wall of the housing 212 with an outlet 226 having a circular outlet cross-section 227.
  • the introduction passages are tubular, with fuel nozzles 228 branching off from the fuel distributor ring 224 into the upstream end of the introduction passages 225.
  • An air stream 229 flowing into the inlet passage 225 is admixed with fuel injected from the fuel nozzles 228, so that the fuel / air mixture flows out along a flow direction 230 to the circular outlet 226 and enters the second combustion chamber section 221 and forms a second working gas stream 231.
  • a first hot working gas stream 234 flowing from the first combustor section 220 in a main flow direction 232 and ignited by the first combustor (not shown) in the first combustor section mixes with the second working gas flow 231 in the second combustor section 221 and forms at a combustor exit 235 a common turbine inlet profile.
  • the FIG. 3 1 shows a section of a first exemplary embodiment of a combustion chamber according to the invention in the region of an introduction passage 336.
  • the introduction passage 336 is of tubular design with a circular inlet opening 337 and an outlet 339 with an outlet cross section and an extended exit shape in the main flow direction 332 Has.
  • the outlet cross section has an oval exit shape.
  • the cross-section of the introduction passage 336 may be made constant over the entire length of the introduction passage 336.
  • the introduction passage 336 projects in the radial direction in the region of the second combustion chamber section 321 into the housing 312 of the combustion chamber.
  • a fuel / air mixture can flow into the second combustion chamber section 321.
  • an air stream 329 flows into the inlet opening 337 and along the flow direction 330 to the outlet 339, whereby a fuel nozzle 328 (partially shown) of the second burner arrangement injects fuel into the air stream 329.
  • the fuel / air mixture can be introduced with a greater penetration depth in the second combustion chamber section 321.
  • the introduction passage 336 substantially projects into the second combustion chamber section 321.
  • FIG. 4 shows the in FIG. 3 illustrated inlet passage 436 according to the first embodiment in a plan view in a schematic representation.
  • the introduction passage 436 is formed in a tubular shape with a circular inlet opening 437 and an outlet 439 with an outlet cross section 440, which has an extended exit shape in the main flow direction 432.
  • the exit form is oval with a long main axis C1 in the direction of the main flow and, with the short half axis C2 running transversely to the main flow, offers only a low attack resistance for the main flow.
  • FIG. 5 shows a perspective view of an introduction passage 542 according to a second embodiment of the combustion chamber according to the invention.
  • the introduction passage 542 is formed in a tubular shape with a circular inlet opening 543 and an outlet 545 with an outlet cross-section 546, which has an extended in the main flow direction 532 exit form.
  • the introduction passage 542 has a decreasing cross-section towards the exit 545.
  • the cross-section of the inlet passage 542 in the flow direction 532 to the outlet 545 decreases by at most half.
  • the cross section of the inlet opening 543 is at most twice as large as the area of the outlet cross section 546.
  • the cross-sectional area of the inlet passage 542 is continuously reduced and thus the flow of a fuel / air mixture is thus accelerated.
  • FIG. 6 shows an exemplary cross-sectional surface profile along an inlet passage according to the invention with decreasing to the outlet cross-section.
  • the ratio of cross-sectional area to cross-sectional area of the inlet opening is plotted over the length of the inlet passage.

Landscapes

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Abstract

Brennkammer für eine Gasturbine (101), mit einer ersten (111) und einer zweiten Brenneranordnung, und einem ersten (220,320) und zweiten Brennkammerabschnitt (221,321), wobei die erste Brenneranordnung (111) im Bereich des ersten Brennkammerabschnitts (220,320) angeordnet ist, und die zweite Brenneranordnung im Bereich des stromab des ersten Brennkammerabschnitts (220,320) angeordneten zweiten Brennkammerabschnitts angeordnet ist, und die zweite Brenneranordnung entlang des Umfangs des zweiten Brennkammerabschnitts angeordnete Einleitpassagen (225,336,542) zur Einleitung eines Brennstoff/Luft-Gemisch umfasst, wobei die Einleitpassagen (336,542) wenigstens einen in den zweiten Brennkammerabschnitt (221,321) mündenden Austritt (339,545) mit einem Austrittsquerschnitt (440,546) aufweisen. Mindestens eine Einleitpassage (336,542) weist einen Austrittsquerschnitt (440,546) auf, der eine in Hauptströmungsrichtung (332,532)verlängerte Austrittsform hat.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für eine Gasturbine mit
    • mindestens einer ersten und einer zweiten Brenneranordnung, und
    • mindestens einem ersten und zweiten Brennkammerabschnitt,
    • wobei die erste Brenneranordnung im Bereich des ersten Brennkammerabschnitts angeordnet ist und zur Verbrennung eines ersten in dem ersten Brennkammerabschnitt zu zündenden ersten Arbeitsgasstromes ausgebildet ist, und
    • die zweite Brenneranordnung im Bereich des stromab des ersten Brennkammerabschnitts angeordneten zweiten Brennkammerabschnitts angeordnet ist und zur Verbrennung eines in dem zweiten Brennkammerabschnitt zu zündenden zweiten Arbeitsgasstroms ausgebildet ist,
    • wobei sich der zweite Arbeitsgasstrom mit dem ersten Arbeitsgasstrom vermischt und an einem Ausgang der Brennkammer ein gemeinsames Turbineneintrittsprofil erzeugt,
    • und die zweite Brenneranordnung entlang des Umfangs des zweiten Brennkammerabschnitts angeordnete Einleitpassagen zur Einleitung eines Brennstoff/Luft-Gemisch umfasst, wobei die Einleitpassagen wenigstens einen in den zweiten Brennkammerabschnitt mündenden Austritt mit einem Austrittsquerschnitt aufweisen.
  • Bekannte Gasturbinen umfassen neben einer Brennkammer einen Verdichter und eine Turbine. Der Verdichter verdichtet der Gasturbine zugeführte Luft, wobei ein Teil dieser Luft der Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer dient und ein Teil zur Kühlung der Gasturbine und/oder der Verbrennungsgase verwendet wird. Die durch den Verbrennungsvorgang in der Brennkammer bereitgestellten heißen Gase werden aus der Brennkammer in die Turbine eingeleitet, wobei sie in dieser entspannen und abkühlen und hierbei unter Leistung von Arbeit Turbinenschaufeln in Rotation versetzen. Mittels dieser Rotationsenergie treibt die Gasturbine eine Arbeitsmaschine an. Bei der Arbeitsmaschine kann es sich beispielsweise um einen Generator handeln.
  • Moderne Gasturbinen sollen in einem weiten Betriebsbereich den Anforderungen bezüglich Schadstoffemissionen und Umweltfreundlichkeit genügen. Die Erfüllung dieser Anforderungen hängt wesentlich von dem in der Gasturbine eingesetzten Verbrennungssystem ab. Zur Reduktion der Emissionen von Stickoxiden (NOx) können beispielsweise magere Vormischungen des Brennstoffs verwendet werden. Die Emission von Stickoxiden lässt sich auch durch eine Reduzierung der Verweilzeit der Gase in der Brennkammer positiv beeinflussen. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Gasturbine werden hohe Turbineneintrittstemperaturen angestrebt, die mit hohen Flammentemperaturen in der Brennkammer einhergehen. Hier sind die erwähnten Vormischflammen aufgrund der hohen thermischen Leistungsdichte anfällig für thermoakustische Instabilitäten und die NOx-Emissionen nehmen mit steigender Flammentemperatur exponentiell zu. Auf der anderen Seite ist ein Betrieb der Gasturbine bei möglichst niedrigen Lasten und Flammentemperaturen notwendig, um den Anforderungen der Kraftwerksbetreiber gerecht zu werden. Hier wird der Betriebsbereich nach unten hin durch die bei unvollständigem Ausbrand entstehenden Kohlenmonoxidemissionen (CO) begrenzt. Daher ist es wünschenswert, den Betriebsbereich der Gasturbine in beide Richtungen zu erweitern.
  • Durch die Anordnung einer axial zu einer ersten Brenneranordnung verschobenen angeordneten zweiten Brenneranordnung, verringert sich die Verweilzeit der mittels der zweiten Brenneranordnung erzeugten Verbrennungsgase in der Brennkammer, so dass mittels einer derartigen zweiten axialen Stufe eine Verringerung der Stickoxidemissionen erreicht werden kann. Durch eine geeignete Fahrweise kann die Beaufschlagung der Axialstufe mit Brennstoff erst bei relativ hohen Lasten erfolgen. Bei niedrigeren Lasten wird die Brennstoffzufuhr zur axialen Stufe komplett abgeschaltet und diese verhält sich dann wie ein Luftbypass. Dadurch kann die Primärzone selbst bei sehr tiefen Lasten mit einer hohen lokalen Flammentemperatur betrieben werden, welche für einen guten Ausbrand und entsprechend niedrige CO-Emissionen sorgt.
    Die luftgestütze Axialstufe dient daher gleichermaßen einer Erweiterung des Betriebsbereiches des Verbrennungssystems zu niedrigeren und höheren Lasten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs genannten Art und eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer anzugeben, die in einem weiten Betriebsbereich besonders schadstoffarm und ausfallsicher betrieben werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Austrittsquerschnitt eine in Hauptströmungsrichtung verlängerte Austrittsform hat.
  • Durch die in Richtung der Hauptströmung verlängerte Austrittsform der Einleitpassagen kann bei geringem bis gar keinem Hereinragen in die Heißgasströmung eine gegenüber klassischen Einleitpassagen mit kreisförmigem Austrittsquerschnitt hohe Eindringtiefe bei gleicher Querschnittsfläche erreicht werden. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von Flammenrückschlag in die Einleitpassagen und reduziert generell die thermische Belastung der Einleitpassagen.
  • Erfindungsgemäß weist wenigstens eine der Einleitpassagen einen Austrittsquerschnitt mit in Hauptströmungsrichtung verlängerter Austrittsform auf. Dies ist so zu verstehen, dass bei in radialer Richtung in den Brennkammerabschnitt hineinragender Einleitpassage der Austrittsquerschnitt in Hauptströmungsrichtung einen größeren Durchmesser aufweist als quer hierzu in Umfangsrichtung des Brennkammerabschnitts. Analoges gilt, wenn die Einleitpassage schräg in den Brennkammerabschnitt hineinragt. Bei der Hauptströmungsrichtung handelt es sich um die Hauptströmungsrichtung des Arbeitsgases in der Brennkammer und nicht um die Strömungsrichtung des Brennstoff/Luftgemisches in der Einleitpassage. Erfindungsgemäß können alle oder eine Anzahl der Einleitpassagen einen Austrittsquerschnitt mit in Hauptströmungsrichtung verlängerter Austrittsform aufweisen, wobei die Verlängerung, also das Verhältnis der beiden Durchmesser des Austrittsquerschnitts, von Einleitpassage zu Einleitpassage variieren kann. Je nach Grad der Verlängerung lässt sich dadurch die Eindringtiefe des Brennstoff/Luft-Gemisches variieren und das Temperaturprofil am Turbineneintritt derart einstellen, dass eine Reduzierung der Schadstoffemissionen ermöglicht wird. Dies ermöglicht zudem indirekt einen geringeren Kühlluftverbrauch der Maschine.
    Auch wird durch die hohe Eindringtiefe des Brennstoff/LuftGemisches ein verbesserter Vermischungsprozess zwischen dem ersten Arbeitsgasstrom der Primärzone aus dem ersten Brennkammerabschnitt und dem in der zweiten Axialstufe eingedüsten zweiten Arbeitsgasstrom ermöglicht, wodurch die NOx-Bildung reduziert wird.
    Die Einstellung des Turbineneintrittprofils - also die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung am Austritt der Brennkammer bzw. dem Eintritt der Turbine- kann neben einer Reduzierung der Schadstoffemissionen auch eine die Turbinenschaufeln schonende Anpassung berücksichtigen. Dieses Profil bestimmt maßgeblich den Kühlluftverbrauch und somit gleichermaßen den Wirkungsgrad wie die NOx-Emissionen der Maschine. Ein derartiges Turbineneintrittsprofil kann beispielsweise am Ausgang der Brennkammer ein über die Fläche des Ausgangs aneinander angeglichenes Temperaturprofil aufweisen. Je nach konkreter Ausgestaltung der Brennkammer und der Turbine können auch hiervon abweichende Temperaturprofile besonders reduzierte Schadstoffemissionen ermöglichen und zu einer Schonung der Turbine beitragen.
  • Die erste Brenneranordnung zur Verbrennung eines ersten in dem ersten Brennkammerabschnitt zu zündenden ersten Arbeitsgasstroms ist mit mindestens einer Brennstoffzufuhrleitung verbindbar und weist mindestens einen Luftzufuhranschluss auf. Die erste Brenneranordnung kann an dem dem Verdichter zugewandten Ende der Brennkammer angeordnet sein. Die erste Brenneranordnung kann eine Vielzahl an Brennern umfassen, die beispielsweise in axial zueinander versetzt angeordneten Gruppen am stromauf gelegenen Beginn des ersten Brennkammerabschnitts angeordnet sein können.
  • Die zweite Brenneranordnung kann bei Bedarf der ersten Brenneranordnung zuschaltbar sein. Im zugeschalteten Zustand stellt die zweite Brenneranordnung beispielsweise ein Brennstoff/Luft Gemisch bereit, wobei der Brennstoff mit der Luft in der Einleitpassage gemischt wird. Die Brenneranordnung kann im Bereich des zweiten Brennkammerabschnitts derart angeordnet sein, dass die zweite Brenneranordnung außerhalb der Brennkammer in Umfangsrichtung um diese herum angeordnet ist, wobei die Einleitpassagen in den Verbrennungsraum hineinragen oder in diesen münden. Durch ein Vormischen von Brennstoff und Luft außerhalb des Brennraums wie bei konventioneller Brennertechnologie können die entstehenden Spitzentemperaturen und damit die NOx-Emissionen verringert werden. Hierzu kann ein Luftstrom in einen Eintrittsbereich der Einleitpassage eingeleitet werden, dem in Richtung Austritt strömend Brennstoff aus einer den Brennstoff eindüsenden Düse beigemischt wird. Bei dem Brennstoff kann es sich um flüssigen oder gasförmigen Brennstoff handeln. Dem Brennstoff können beispielsweise Inertkomponenten beigemischt werden, wie beispielsweise Dampf, Stickstoff, Kohlendioxid. Vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass eine derartige Beimischung von Inertkomponenten nicht erfolgt. Es werden somit keine zusätzlichen Medien benötigt, sondern ein Betrieb erfolgt nur mit der vom Verdichteraustritt stammenden Luft, welche mit Brennstoff in der axialen Stufe zu einem Gemisch aufbereitet werden. Daher ist das entstehende System robuster und besser verfügbar. Der Brennstoff kann dann in einem diffusionsartigen Regime in dem sich an den ersten Brennkammerabschnitt anschließenden zweiten Brennkammerabschnitt verbrannt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der Austrittsquerschnitt eine ovale Form.
  • Diese Ellipse liegt bei in radialer Richtung in die Brennkammer hineinragenden Einleitpassagen mit ihrer langen Hauptachse (c1) in Richtung der Hauptströmung und bietet mit der quer zu Hauptströmung stehenden kurzen Halbachse (c2) nur einen geringen Angriffswiderstand für die Hauptströmung. Entsprechendes gilt bei schräg in die Brennkammer hineinragenden Einleitpassagen.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass mindestens eine Einleitpassage einen sich zum Austritt hin verringernden Querschnitt aufweist.
  • Um das bei starker Umlenkung der Strömung vorhandene Risiko von Strömungsablösung und Flammenrückschlag zu verringern, sollte die Querschnittsfläche des Injektors dabei kontinuierlich verringert und die Strömung somit beschleunigt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verringert sich der Querschnitt der Einleitpassage in Strömungsrichtung bis zum Austritt um höchstens die Hälfte.
  • Ideal ist ein Flächenverhältnis von 0.7 zwischen Austritt und Eintritt des Injektors. Je nach Anwendung sind Werte im Bereich zwischen 0.5 - 1.0 sinnvoll.
  • Vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass sich der Querschnitt der Einleitpassage in Strömungsrichtung bis zum Austritt um den Faktor 0.7 verringert.
  • Es kann auch als vorteilhaft betrachtet werden, dass die Einleitpassagen eine schlauchförmige Ausgestaltung aufweisen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine mit wenigstens einer Brennkammer anzugeben, die in einem weiten Betriebsbereich besonders schadstoffarm und ausfallsicher betrieben werden kann.
  • Hierzu ist die Brennkammer der Gasturbine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung. Die Bezugszeichen verweisen mit ihrer ersten Stelle auf die Zahl der Abbildung. Die zweite und dritte Stelle des Bezugszeichens ist dann für Figuren gleich gewählt, wenn das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel bezeichnete Teil eine gleiche Funktion oder eine im wesentlichen gleiche Funktion aufweist.
  • Dabei zeigt die
    • Fig.1
    eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine 1 nach dem Stand der Technik,
    Fig.2
    einen Ausschnitt einer Brennkammer mit zweiter axialer Stufe gemäß dem Stand der Technik,
    Fig.3
    einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkammer im Bereich einer Einleitpassage,
    Fig.4
    die in Figur 3 dargestellt Einleitpassage in einer Draufsicht in schematischer Darstellung,
    Fig.5
    eine perspektivische Ansicht einer Einleitpassage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkammer, und
    Fig.6
    einen beispielhaften Querschnittsflächenverlauf entlang einer erfindungsgemäßen Einleitpassage.
  • Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine 101 nach dem Stand der Technik. Die Gasturbine 101 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 104 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 106, ein Verdichter 108, ein Verbrennungssystem 109 mit einer Anzahl an Brennkammern 110, die jeweils eine Brenneranordnung 111 und ein Gehäuses 112 umfassen, eine Turbine 114 und ein Abgasgehäuse 115.
  • Das Verbrennungssystem 109 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 114. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 117 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 118 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 119 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 118 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 108 durch das Ansauggehäuse 106 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 108 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungssystem 109 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung 111 mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Brenneranordnung 111 unter Bildung eines Arbeitsgasstromes im Verbrennungssystem 109 verbrannt. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 118 vorbei. An den Laufschaufeln 118 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 118 den Rotor 103 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt).
  • Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer Brennkammer 210 mit einer zweiten axialen Stufe gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Schnittansicht. Die Brennkammer 210 umfasst einen ersten Brennkammerabschnitt 220 und einen zweiten Brennkammerabschnitt 221 mit einem Gehäuse 212, eine erste Brenneranordnung (nicht dargestellt) und eine zweite Brenneranordnung (teilweise dargestellt). Die zweite Brenneranordnung umfasst einen außerhalb des Gehäuses 212 angeordneten, umlaufenden Brennstoffverteilerring 224 und eine Vielzahl an um das Gehäuse herum angeordneten Einleitpassagen 225, welche in den zweiten Brennkammerabschnitt 221 einmünden. Die Einleitpassagen 225 ragen hierbei nicht wesentlich in das Gehäuse 212 hinein, sondern schließen mit einem Austritt 226 mit einem kreisförmigen Austrittsquerschnitt 227 bündig mit einer Innenwand des Gehäuses 212 ab. Die Einleitpassagen sind schlauchförmig ausgebildet, wobei in das stromaufwärtige Ende der Einleitpassagen 225 von dem Brennstoffverteilerring 224 abzweigende Brennstoffdüsen 228 hineinragen. Einem in die Einleitpassage 225 einströmenden Luftstrom 229 wird aus den Brennstoffdüsen 228 eingedüster Brennstoff zugemischt, so dass das Brennstoff/Luft-Gemisch entlang einer Strömungsrichtung 230 zum kreisförmigen Austritt 226 hinauströmt und dort in den zweiten Brennkammerabschnitt 221 eintritt und einen zweiten Arbeitsgasstrom 231 ausbildet. Ein in einer Hauptströmungsrichtung 232 strömender erster heißer Arbeitsgasstrom 234 aus dem ersten Brennkammerabschnitt 220, welcher mittels der ersten Brenneranordnung (nicht dargestellt) in dem ersten Brennkammerabschnitt gezündet wurde, vermischt sich in dem zweiten Brennkammerabschnitt 221 mit dem zweiten Arbeitsgasstrom 231 und bildet an einem Brennkammerausgang 235 ein gemeinsames Turbineneintrittsprofil aus.
  • Die Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkammer im Bereich einer Einleitpassage 336. Die Einleitpassage 336 ist schlauchförmig ausgebildet mit einer kreisförmigen Einlassöffnung 337 und einem Austritt 339 mit einem Austrittsquerschnitt, der in Hauptströmungsrichtung 332 eine verlängerte Austrittsform hat. Der Austrittsquerschnitt hat eine ovale Austrittsform. Somit weist die lange Hauptachse C1 der elliptischen Austrittsform in Richtung der Hauptströmung 332. Der Querschnitt der Einleitpassage 336 kann über die gesamte Länge der Einleitpassage 336 konstant gewählt sein. Die Einleitpassage 336 ragt in radialer Richtung im Bereich des zweiten Brennkammerabschnitts 321 in das Gehäuse 312 der Brennkammer hinein. Mittels der Einleitpassage 336 kann ein Brennstoff/LuftGemisch in den zweiten Brennkammerabschnitt 321 einströmen. Hierzu strömt ein Luftstrom 329 in die Einlassöffnung 337 hinein und entlang der Strömungsrichtung 330 zum Austritt 339, wobei eine von der zweiten Brenneranordnung (teilweise dargestellt) umfasste Brennstoffdüse 328 Brennstoff in den Luftstrom 329 eindüst. Aufgrund der in Hauptströmungsrichtung 332 verlängerten Austrittsform des Austrittsquerschnitts kann das Brennstoff/Luft-Gemisch mit einer größeren Eindringtiefe in den zweiten Brennkammerabschnitt 321 eingebracht werden. Hierzu ist es nicht wie im Stand der Technik notwendig, dass die Einleitpassage 336 wesentlich in den zweiten Brennkammerabschnitt 321 hineinragt.
  • Die Figur 4 zeigt die in Figur 3 dargestellt Einleitpassage 436 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht in schematischer Darstellung.
    Die Einleitpassage 436 ist schlauchförmig ausgebildet mit einer kreisförmigen Einlassöffnung 437 und einem Austritt 439 mit einem Austrittsquerschnitt 440, der eine in Hauptströmungsrichtung 432 verlängerte Austrittsform hat. Die Austrittsform ist oval mit einer langen Hauptachse C1 in Richtung der Hauptströmung und bietet mit der quer zu Hauptströmung stehenden kurzen Halbachse C2 nur einen geringen Angriffswiderstand für die Hauptströmung.
  • Die Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Einleitpassage 542 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkammer. Die Einleitpassage 542 ist schlauchförmig ausgebildet mit einer kreisförmigen Einlassöffnung 543 und einem Austritt 545 mit einem Austrittsquerschnitt 546, der eine in Hauptströmungsrichtung 532 verlängerte Austrittsform hat. Zusätzlich zu der in Hauptströmungsrichtung 532 verlängerten Austrittsform weist die Einleitpassage 542 einen sich zum Austritt 545 hin verringernden Querschnitt auf. Vorteilhafter Weise verringert sich der Querschnitt der Einleitpassage 542 in Strömungsrichtung 532 bis zum Austritt 545 um höchstens die Hälfte. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt der Einlassöffnung 543 höchstens doppelt so groß ist wie die Fläche des Austrittsquerschnitts 546. Um das bei starker Umlenkung der Strömung vorhandene Risiko
    von Strömungsablösung und Flammenrückschlag zu verringern, ist es vorteilhaft, wenn die Querschnittsfläche der Einleitpassage 542 sich dabei kontinuierlich verringert und die Strömung eines Brennstoff/Luft-Gemisches somit beschleunigt wird.
  • Die Figur 6 zeigt einen beispielhaften Querschnittsflächenverlauf entlang einer erfindungsgemäßen Einleitpassage mit sich zum Austritt hin verringerndem Querschnitt. In dem gezeigten Diagramm ist das Verhältnis von Querschnittsfläche zu Querschnittsfläche der Einlassöffnung über der Länge der Einleitpassage aufgetragen.

Claims (7)

  1. Brennkammer (110,210) für eine Gasturbine (101), mit
    - mindestens einer ersten (111) und einer zweiten Brenneranordnung, und
    - mindestens einem ersten (220,320) und zweiten Brennkammerabschnitt (221,321),
    - wobei die erste Brenneranordnung (111) im Bereich des ersten Brennkammerabschnitts (220,320) angeordnet ist und zur Verbrennung eines in dem ersten Brennkammerabschnitt zu zündenden ersten Arbeitsgasstromes (234) ausgebildet ist, und
    - die zweite Brenneranordnung im Bereich des stromab des ersten Brennkammerabschnitts (220,320) angeordneten zweiten Brennkammerabschnitts (221,321) angeordnet ist und zur Verbrennung eines in dem zweiten Brennkammerabschnitt zu zündenden zweiten Arbeitsgasstroms (231) ausgebildet ist,
    - wobei sich der zweite Arbeitsgasstrom (231) mit dem ersten Arbeitsgasstrom (234) vermischt und an einem Ausgang (235) der Brennkammer ein gemeinsames Turbineneintrittsprofil erzeugt,
    - und die zweite Brenneranordnung entlang des Umfangs des zweiten Brennkammerabschnitts (221,321) angeordnete Einleitpassagen (225,336,542) zur Einleitung eines Brennstoff/LuftGemisch umfasst, wobei die Einleitpassagen (225,336,436,542) wenigstens einen in den zweiten Brennkammerabschnitt (221,321) mündenden Austritt (226,339,545) mit einem Austrittsquerschnitt (227, 440,546) aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einleitpassage (336,436,542) einen Austrittsquerschnitt (440,546) aufweist, der eine in Hauptströmungsrichtung (232,332,532) verlängerte Austrittsform hat.
  2. Brennkammer (110,210) für eine Gasturbine (101) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt (440,546) eine ovale Austrittsform hat.
  3. Brennkammer (110,210) für eine Gasturbine (101) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einleitpassage (542) einen sich zum Austritt (545) hin verringernden Querschnitt aufweist.
  4. Brennkammer für eine Gasturbine nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Einleitpassage (542) in Strömungsrichtung (548) bis zum Austritt (545) um höchstens die Hälfte verringert.
  5. Brennkammer für eine Gasturbine nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Einleitpassage (542) in Strömungsrichtung (548) bis zum Austritt (545) um den Faktor 0.7 verringert.
  6. Brennkammer (110,210) für eine Gasturbine (101) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitpassagen (336, 436, 542) eine schlauchförmige Ausgestaltung aufweisen.
  7. Gasturbine (101) mit mindestens einer Brennkammer (110, 210),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (110,210) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
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