EP2812636B1 - Ringbrennkammer-bypass - Google Patents

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EP2812636B1
EP2812636B1 EP13710388.3A EP13710388A EP2812636B1 EP 2812636 B1 EP2812636 B1 EP 2812636B1 EP 13710388 A EP13710388 A EP 13710388A EP 2812636 B1 EP2812636 B1 EP 2812636B1
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
annular combustion
outer shell
annular
ducts
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EP13710388.3A
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Francois Benkler
Thomas Brandenburg
Olga Deiss
Thomas Grieb
Marco Link
Nicolas Savilius
Daniel Vogtmann
Jan Wilkes
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/26—Controlling the air flow
    • 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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • 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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/06—Arrangement of apertures along the flame tube
    • F23R3/08—Arrangement of apertures along the flame tube between annular flame tube sections, e.g. flame tubes with telescopic sections

Definitions

  • the invention relates to an annular combustion chamber with a bypass for reducing the carbon monoxide emissions in part-load operation and a gas turbine with such an annular combustion chamber.
  • the object of the invention is to provide an annular combustion chamber of the type mentioned, which allows a considerable increase in the usable partial load range.
  • the invention achieves this object by providing an annular combustor for a gas turbine according to claim 1.
  • compressor air can be introduced in a region at the end of the combustion chamber, without participating in the combustion, that is, it is fed back to the air-fuel mixture after the combustion process.
  • the annular combustion chamber comprises a last row of heat shield plates arranged in the region of the outlet in the interior of the annular combustion chamber on the outer shell and a penultimate row of heat shield plates arranged in the direction of the at least one inlet opening next to the last row, between the last and penultimate Series of heat shield plates in the region of the channels a gap is provided. Through this gap, the compressor discharge air can flow undisturbed into the combustion chamber.
  • the ring segments have the advantage of easier assembly and disassembly.
  • the ring of the adjusting device is continuously displaceable in order to set as desired a desired gap size and thus to be able to remove a certain amount of air from the Verêtrendluft prior to combustion can.
  • the ring segments on their turbine side facing away from essays for engagement in the channels are trapezoidal.
  • the air to be passed through the channels can be set very precisely.
  • the channels can of course be completely closed.
  • the ring is moved by a mechanism only in the axial direction.
  • a mechanism for controlling and moving the ring segments So this can be done via motors, levers, hydraulic mechanisms, etc., the z. B. axially move the ring on rails or other motion elements.
  • these mechanisms can also be mounted inside or outside the housing.
  • the attachments of the ring segments have a thermal barrier coating (TBC) on their surfaces exposed to the hot gas of the combustion.
  • TBC thermal barrier coating
  • the interior of the outer shell in the region of the gap between the last and the penultimate row of the heat shield plates, ie between the openings of the channels to the combustion chamber interior has a heat-insulating layer.
  • the last and penultimate rows of heat shield plates still abut each other and the interior of the outer shell was sufficiently protected by the heat shield plates. Due to the gap caused by the invention, the outer shell in this area is more exposed to the combustion gases.
  • the last row of heat shield plates which is the farthest from all heat shield plates of the core zone of combustion, metallic and the penultimate row is ceramic, because on the one hand, the operating temperature of ceramic materials is well above the maximum operating temperature of high temperature metal alloys and on the other hand, the high temperature metallic alloys have less brittleness and better thermal and thermal conductivity.
  • the infinitely adjustable actuator according to the invention for introducing compressor discharge air into a zone at the end of the combustion chamber, ie after the combustion has taken place, permits carbon monoxide emissions to be carried out in part-load operation reduce, because set due to a richer mixture higher combustion temperatures.
  • the invention can be implemented relatively easily, since the ring segments, for example two ring halves, are simple components which only have to be displaced axially.
  • FIG. 1 shows schematically and exemplarily the combustion system of an annular combustion chamber 1 according to the invention.
  • the annular combustion chamber 1 consists of a closed ring which is arranged around a rotor axis 2. Burner 3 are arranged in the upper region of the combustion chamber 1 in inlet openings 4. There, the mixing of the fuel 5 with the compressor air 6 takes place. In the combustion chamber 1, the actual combustion takes place. Through the outlet 7, the hot combustion gases pass into the turbine chamber 8, where they meet the first stationary vane 9. To protect against scaling the annular combustion chamber 1 is lined with ceramic heat shields 10 and metallic heat shields 11, which are attached to the outer shell 12.
  • an adjusting device 15 is provided on the outside of the outer shell 12, as in FIG. 2 is shown.
  • the adjusting device 15 has ring segments 16, for example, two half rings, as in FIG. 3 one is shown. With appropriate essays 17 certain gap sizes can be set in the channels 14, or they are even completely closed.
  • the metallic inlet shell plates ie the plates of the last heat shield row 11 are shortened relative to a heat shield plate 18 of the last row of a ring combustion chamber of the prior art.
  • FIG. 4 shows such a heat shield plate 18 of the last row of a ring combustion chamber of the prior art, as well as the dashed line cut to a metallic heat-shaving plate 11 to obtain, as FIG. 5 shows and how it is needed for the present invention.
  • FIG. 6 shows a view of the inside of the annular combustion chamber 1 with the last 11 and penultimate heat shield plate row 13 and the openings 20 of the channels 14 in the outer shell 12 for the air bypass at partial load.
  • the last row 11 of the heat shield plates is shortened compared to the heat shield plates of the prior art and is arranged on the outer shell 12 of the annular combustion chamber 1 so that it no longer directly adjoins the penultimate row of the heat shield plates 13, there is a gap 19 in the circumferential direction of the annular combustion chamber 1 without the previous heat protection.
  • the channels 14 open into the interior of the annular combustion chamber 1.
  • the outer shell 12 between these openings 20 is exposed to very high temperatures during operation of the annular combustion chamber 1.
  • the interior of the outer shell 12 is in the region of the gap 19 between the last 11 and the penultimate row 13 of the heat shield plates, ie between the openings 20 of the channels 14 to the combustion chamber interior out with a thermal barrier coating Mistake.
  • the attachments 17 of the ring segments 16 on their exposed to the hot gas combustion surfaces have a thermal barrier coating.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer mit einem Bypass zur Verringerung der Kohlenmonoxidemissionen im Teillastbetrieb sowie eine Gasturbine mit einer solchen Ringbrennkammer.
  • Im Teillastbetrieb der Gasturbine fällt die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer ab. Dadurch fällt auch die für die Kohlenmonoxidemissionen relevante Primärzonentemperatur unter einen Minimalwert, wodurch verstärkt Kohlenmonoxid erzeugt bzw. ausgestoßen wird. Da dies vermieden werden soll, ist der nutzbare Teillastbereich der Gasturbine begrenzet. Dokument DE 10 116 452 offenbart eine Ringbrennkammer nach Stand der Technik.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ringbrennkammer der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine beträchtliche Vergrößerung des nutzbaren Teillastbereichs ermöglicht.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, eine Ringbrennkammer fur eine Gasturbine gemäß Anspruch 1 bereitzustellen.
  • Durch diese Maßnahme kann Verdichterluft in einem Bereich am Ende der Brennkammer eingeführt werden, ohne an der Verbrennung teilzunehmen, d.h., sie wird erst nach dem Verbrennungsprozess wieder dem Luft-Brennstoffgemisch zugeführt. Das bewirkt, dass das fettere Gemisch im Brennraum unter höheren Temperaturen verbrannt werden kann und somit die Kohlenmonoxidemissionen im Teillastbetrieb verringert werden können.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Ringbrennkammer eine im Bereich des Auslasses im Inneren der Ringbrennkammer an der Außenschale in Umfangsrichtung angeordnete letzte Reihe von Hitzeschildplatten und eine in Richtung der mindestens einen Einlassöffnung neben der letzten Reihe angeordnete vorletzte Reihe von Hitzeschildplatten, wobei zwischen der letzten und vorletzten Reihe von Hitzeschildplatten im Bereich der Kanäle ein Spalt vorgesehen ist. Durch diesen Spalt kann die Verdichterendluft ungestört in die Brennkammer einströmen.
  • Die Ringsegmente haben den Vorteil der einfacheren Montage bzw. Demontage.
  • Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Ring der Stellvorrichtung stufenlos verschiebbar ist, um je nach Bedarf eine gewünschte Spaltgröße einstellen und somit eine bestimmte Luftmenge aus der Verdichterendluft vor der Verbrennung entnehmen zu können.
  • In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weisen die Ringsegmente auf ihrer turbinenabgewandten Seite Aufsätze zum Eingriff in die Kanäle auf. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Aufsätze trapezförmig ausgebildet sind. Durch die Aufsätze, insbesondere durch ihre Trapezform lässt sich die durch die Kanäle zu leitende Luftmenge besonders genau einstellen. Die Kanäle können natürlich auch ganz verschlossen werden. Dabei wird der Ring über einen Mechanismus nur in axialer Richtung bewegt. Für einen solchen Mechanismus zur Steuerung und Bewegung der Ringsegmente gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann dies über Motoren, Hebel-, Hydraulikmechanismen, etc. geschehen, die z. B. den Ring auf Schienen oder anderen Bewegungselementen axial verschieben. Wahlweise können diese Mechanismen auch innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angebracht sein.
  • Im Hinblick auf die hohen Temperaturen im Betrieb der Ringbrennkammer ist es vorteilhaft, wenn die Aufsätze der Ringsegmente auf ihren dem Heißgas der Verbrennung ausgesetzten Oberflächen eine Wärmedämmschicht (thermal barrier coating, TBC) aufweisen. Aus demselben Grund ist es zweckmäßig, wenn auch das Innere der Außenschale im Bereich des Spaltes zwischen der letzten und der vorletzten Reihe der Hitzeschildplatten, also zwischen den Öffnungen der Kanäle zum Brennkammerinneren hin eine Wärmedämmschicht aufweist. In Ringbrennkammern aus dem Stand der Technik grenzen die letzte und die vorletzte Reihe der Hitzeschildplatten noch aneinander an und das Innere der Außenschale war durch die Hitzeschildplatten ausreichend geschützt. Durch den erfindungsbedingt entstandenen Spalt ist die Außenschale in diesem Bereich den Heißgasen der Verbrennung verstärkt ausgesetzt.
  • Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die letzte Reihe von Hitzeschildplatten, die von allen Hitzeschildplatten von der Kernzone der Verbrennung am weitesten entfernt liegt, metallisch und die vorletzte Reihe keramisch ist, weil einerseits die Einsatztemperatur von keramischen Werkstoffen deutlich über der maximalen Einsatztemperatur von hochwarmfesten Metalllegierungen liegt und andererseits die hochwarmfesten metallischen Legierungen eine geringere Sprödigkeit und ein besseres Wärme- und Temperaturleitverhalten aufweisen.
  • Mit der Erfindung wird schließlich eine neuartige Gasturbine angegeben, in welche eine erfindungsgemäße Ringbrennkammer integriert ist.
  • Durch die stufenlos einstellbare Stellvorrichtung gemäß der Erfindung zum Einleiten von Verdichterendluft in eine Zone am Ende der Brennkammer, d.h. nachdem die Verbrennung stattgefunden hat, lassen sich Kohlenmonoxidemissionen im Teillastbetrieb verringern, weil sich aufgrund einer fetteren Mischung höhere Verbrennungstemperaturen einstellen.
  • Gegenüber aktuellen Designs erfolgt kein Kühlluftmehrverbrauch im Grundlastbetrieb.
  • Weiterhin lässt sich die Erfindung relativ einfach umsetzen, da die Ringsegmente, beispielsweise zwei Ringhälften, einfache Bauteile sind, die nur axial verschoben werden müssen.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
    • Figur 1 ein Verbrennungssystem mit einer Ringbrennkammer nach der Erfindung,
    • Figur 2 die der Turbine zugewandte Seite der Ringbrennkammer mit Stellvorrichtung auf der Außenschale und Bypasskanälen,
    • Figur 3 einen Halbring der Stellvorrichtung für den Bypass,
    • Figur 4 eine metallische Hitzeschildplatte nach dem Stand der Technik,
    • Figur 5 eine metallische Hitzeschildplatte für die Ringbrennkammer nach der Erfindung und
    • Figur 6 die Innenseite der Ringbrennkammer im Bereich des Auslasses.
  • Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft das Verbrennungssystem einer Ringbrennkammer 1 nach der Erfindung. Die Ringbrennkammer 1 besteht aus einem geschlossenen Ring der um eine Rotorachse 2 angeordnet ist. Brenner 3 sind im oberen Bereich der Brennkammer 1 in Einlassöffnungen 4 angeordnet. Dort findet die Vermischung des Brennstoffs 5 mit der Verdichterluft 6 statt. In der Brennkammer 1 erfolgt die eigentliche Verbrennung. Durch den Auslass 7 gelangen die heißen Verbrennungsgase in den Turbinenraum 8, wo sie auf die erste stehende Leitschaufel 9 treffen. Zum Schutz vor Verzunderungen ist die Ringbrennkammer 1 mit keramischen Hitzeschilden 10 und metallischen Hitzeschilden 11 ausgekleidet, die an der Außenschale 12 befestigt sind.
  • Gemäß der Erfindung wird die Brennkammeraußenschale 12 im Bereich des Auslasses 7 zwischen der letzten keramischen Hitzeschildreihe 13 (= der vorletzten Hitzeschildreihe) und der metallischen Einlaufschalenplatte (= der letzten Hitzeschildreihe 11) mit Kanälen 14 versehen, die im Wesentlichen parallel zur Achse 2 der Ringbrennkammer 1 orientiert sind.
  • Damit diese Kanäle 14 je nach Bedarf geschlossen oder geöffnet werden können, ist an der Außenseite der Außenschale 12 eine Stellvorrichtung 15 vorgesehenen, wie sie in Figur 2 dargestellt ist. Die Stellvorrichtung 15 weist Ringsegmente 16, beispielsweise zwei Halbringe, auf, wie in Figur 3 einer gezeigt ist. Mit entsprechenden Aufsätzen 17 können bestimmte Spaltgrößen in den Kanälen 14 eingestellt, bzw. diese sogar ganz verschlossen werden.
  • Um diese Lufteinströmung in die Ringbrennkammer 1 zu ermöglichen, sind die metallischen Einlaufschalenplatten, d.h. die die Platten der letzten Hitzeschildreihe 11 gegenüber einer Hitzeschildplatte 18 der letzten Reihe einer Ringbrennkammer aus dem Stand der Technik verkürzt. Figur 4 zeigt eine solche Hitzeschildplatte 18 der letzten Reihe einer Ringbrennkammer aus dem Stand der Technik, sowie die an der gestrichelten Linie vorgenommene Kürzung um eine metallische Hitzeschilplatte 11 zu erhalten, wie sie Figur 5 zeigt und wie sie für die vorliegende Erfindung benötigt wird.
  • Figur 6 zeigt eine Sicht der Innenseite der Ringbrennkammer 1 mit letzter 11 und vorletzter 13 Hitzeschildplattenreihe sowie die Öffnungen 20 der Kanäle 14 in der Außenschale 12 für den Luftbypass bei Teillast.
  • Da gemäß der Erfindung die letzte Reihe 11 der Hitzeschildplatten gegenüber den Hitzeschildplatten aus dem Stand der Technik verkürzt ist und an der Außenschale 12 der Ringbrennkammer 1 so angeordnet ist, dass sie nicht mehr unmittelbar an die vorletzte Reihe der Hitzeschildplatten 13 anschließt, besteht ein Spalt 19 in Umfangsrichtung der Ringbrennkammer 1 ohne den bisherigen Hitzeschutz. In diesem Spalt 19 öffnen sich die Kanäle 14 in das Innere der Ringbrennkammer 1. Die Außenschale 12 zwischen diesen Öffnungen 20 ist im Betrieb der Ringbrennkammer 1 sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Um die Außenschale 12 trotz Spalt 19 vor diesen Temperaturen zu schützen, ist das Innere der Außenschale 12 im Bereich des Spalts 19 zwischen der letzten 11 und der vorletzten Reihe 13 der Hitzeschildplatten, also zwischen den Öffnungen 20 der Kanäle 14 zum Brennkammerinneren hin mit einer Wärmedämmschicht versehen.
  • Auch die Aufsätze 17 der Ringsegmente 16 auf ihren dem Heißgas der Verbrennung ausgesetzten Oberflächen weisen eine Wärmedämmschicht auf.

Claims (9)

  1. Ringbrennkammer (1) für eine Gasturbine mit einer Außenschale (12) die mindestens eine Einlassöffnung (4) für einen Brenner (3) und einen in einen Turbinenraum (8) mündenden Auslass (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenschale (12) im Bereich des Auslasses (7) verschließbare und im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse (2) der Ringbrennkammer (1) ausgerichtete Kanäle (14) vorgesehen sind, durch die Verdichterendluft in die Ringbrennkammer (1) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schließen und Öffnen der Kanäle (14) an der Außenseite der Außenschale (12) eine Stellvorrichtung (15) vorgesehen ist, die Ringsegmente (16) umfasst, die einen Ring bilden, der koaxial zur Ringbrennkammer (1) ausgerichtet ist und bezogen auf die Ringbrennkammer (1) axial verschiebbar ist.
  2. Ringbrennkammer (1) nach Anspruch 1, umfassend eine im Bereich des Auslasses (7) im Inneren der Ringbrennkammer (1) an der Außenschale (12) in Umfangsrichtung angeordnete letzte Reihe von Hitzeschildplatten (11) und eine in Richtung der mindestens einen Einlassöffnung (4) neben der letzten Reihe (11) angeordnete vorletzte Reihe von Hitzeschildplatten (13), wobei zwischen der letzten (11) und vorletzten (13) Reihe von Hitzeschildplatten im Bereich der Öffnung (20) der Kanäle (14) in das Innere der Ringbrennkammer (1) ein Spalt (19) vorgesehen ist.
  3. Ringbrennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ring stufenlos verschiebbar ist.
  4. Ringbrennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ringsegmente (16) auf ihrer turbinenabgewandten Seite Aufsätze (17) zum Eingriff in die Kanäle (14) aufweisen.
  5. Ringbrennkammer (1) nach Anspruch 4, wobei die Aufsätze (17) trapezförmig ausgebildet sind.
  6. Ringbrennkammer (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Aufsätze (17) auf Heißgas ausgesetzten Oberflächen eine Wärmedämmschicht aufweisen.
  7. Ringbrennkammer (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Innere der Außenschale (12) im Bereich des Spalts (19) eine Wärmedämmschicht aufweist.
  8. Ringbrennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die letzte Reihe von Hitzeschildplatten (11) metallisch und die vorletzte Reihe (13) keramisch ist.
  9. Gasturbine mit einer Ringbrennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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