EP3421885B1 - Brennkammer einer gasturbine, gasturbine und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Brennkammer einer gasturbine, gasturbine und verfahren zum betreiben derselben Download PDF

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EP3421885B1
EP3421885B1 EP18176189.1A EP18176189A EP3421885B1 EP 3421885 B1 EP3421885 B1 EP 3421885B1 EP 18176189 A EP18176189 A EP 18176189A EP 3421885 B1 EP3421885 B1 EP 3421885B1
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EP
European Patent Office
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combustor
atomisation
liquid fuel
fuel
lance
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EP3421885A1 (de
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Frank Reiss
Bernhard Cosic
Gabrielle Tea-Kempf
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MAN Energy Solutions SE
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MAN Energy Solutions SE
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Publication date
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—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
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    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00015—Trapped vortex combustion chambers

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber of a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a gas turbine with such a combustion chamber and a method for operating such a gas turbine.
  • Gas turbines have a combustion chamber and a turbine downstream of the combustion chamber. Fuel is burned in the combustion chamber of a gas turbine, producing hot exhaust gas. The hot exhaust gas is expanded in the turbine of the gas turbine in order to gain energy that can be used to provide drive power, for example to drive a generator to generate electricity.
  • Gas turbines designed as dual-fuel gas turbines are already known from practice, such dual-fuel gas turbines comprising a dual-fuel combustion chamber in which a gaseous fuel is burned in a gaseous fuel operating mode and a liquid fuel is burned in a liquid fuel operating mode.
  • a mixture of a gaseous fuel and combustion air can be supplied to the combustion chamber via a swirl body.
  • the combustion chamber of the gas turbine can be supplied with the liquid fuel via an atomization device and the combustion air via the swirl body.
  • US2015/0082770A1 discloses a dual fuel combustor.
  • This dual-fuel combustion chamber has an atomization device with a central atomization nozzle and a number of decentralized atomization nozzles.
  • Liquid fuel is introduced into the combustion chamber via both the central atomizing nozzle and the decentralized atomizing nozzles into the combustion chamber.
  • Gaseous fuel is introduced into the combustion chamber exclusively via the decentralized atomization devices.
  • DE 198 39 085 A1 discloses a burner assembly having primary and secondary pilot burners.
  • Fuel gas and/or fuel oil can be supplied to a main burner.
  • the fuel gas for the main burner is mixed with combustion air in the area of a swirl generator.
  • the fuel oil for the main burner is added to the air directly in the area of the main swirl generator.
  • the pilot burner which serves to ignite and/or stabilize the main flame in the main burner, is supplied with fuel via additional fuel channels.
  • the present invention is based on the object of creating a novel combustion chamber of a gas turbine, a gas turbine of such a combustion chamber and a method for operating such a gas turbine.
  • the atomizing device has an atomizing lance with at least one atomizing nozzle which is central in relation to a longitudinal center axis of the combustion chamber or in relation to a longitudinal center axis of an antechamber of the combustion chamber.
  • the atomizing device also has a plurality of atomizing nozzles which are decentralized relative to the longitudinal center axis of the combustion chamber or relative to the longitudinal center axis of the antechamber of the combustion chamber.
  • the liquid fuel can be optimally introduced into the combustion chamber via the central atomizing lance, which comprises at least one atomizing nozzle, and via the multiple decentralized atomizing nozzles, in order to ensure effective combustion of the liquid fuel.
  • the liquid fuel can be introduced directly into a central recirculation zone within the combustion chamber or the antechamber of the combustion chamber via the central atomization lance, as a result of which stable combustion can be achieved.
  • the introduction of the fuel via the central atomizing lance is not homogeneous with the combustion air, there is no premixing of liquid fuel and combustion air.
  • the liquid fuel can be distributed homogeneously in the combustion air via the decentralized atomizing nozzles.
  • a partial pre-mixing of liquid fuel and combustion air is achieved by the decentralized atomizing nozzles.
  • exhaust gas emissions in particular nitrogen oxide emissions, can be reduced in comparison to the central atomizing lance.
  • the central atomizing lance has at least two, preferably two, atomizing nozzles which, alone and together, each provide an atomizing cone with a maximum spray angle of 60°, preferably a maximum of 55°.
  • Each of the decentralized atomizing nozzles provides an atomizing cone with a maximum spray angle of 50°, preferably a maximum of 40°. This can be avoided that walls of the combustion chamber and the antechamber of the combustion chamber are wetted with liquid fuel. In particular, this serves to effectively burn the liquid fuel while reducing exhaust emissions.
  • the decentralized atomizing nozzles are positioned on a circular path extending around the longitudinal center axis of the combustion chamber or around the longitudinal center axis of the antechamber of the combustion chamber.
  • a center point of the circular path on which the decentralized atomizing nozzle is positioned is preferably positioned on the longitudinal central axis of the combustion chamber or the antechamber of the combustion chamber.
  • a radius of the circular path on which the decentralized atomizing nozzles are positioned is preferably between 0.4 times and 1.1 times an inner radius of the swirl body.
  • the liquid fuel can be optimally introduced into the combustion chamber, providing a homogeneous distribution of the same with the combustion air and with a view to premixing it with the combustion air, in order to reduce exhaust gas emissions such as nitrogen oxide emissions as much as possible.
  • the central atomizing lance is surrounded at least in sections radially on the outside by an adjacent component, forming a radial gap, with combustion air being able to be supplied to the combustion chamber via the radial gap, bypassing the swirl body.
  • the central atomizing lance for introducing the liquid fuel into the combustion chamber or antechamber of the combustion chamber, effective combustion of the liquid fuel in the liquid fuel operating mode can be ensured with a reduction in nitrogen oxide emissions in particular.
  • the gas turbine according to the invention is defined in claim 8 and the method of operating the same according to the invention is defined in claim 9.
  • both the central atomizing lance and the decentralized atomizing nozzles are used in the entire operating range between idling and full load in order to supply the liquid fuel to the combustion chamber.
  • This operating variant of the invention is suitable when the gas turbine to be operated is to carry out rapid load changes, since individual injection nozzles then do not have to be switched on or off. Rinsing procedures that are required when switching off individual atomizing nozzles can thus be avoided. Exhaust emissions can be reduced compared to gas turbines, whose combustion chambers only have a central atomization lance.
  • both the central atomizing lance (and the decentralized atomizing nozzles are used to supply liquid fuel to the combustion chamber, whereas in an operating range above the predetermined load limit only the decentralized atomizing nozzles are used in order to supply the liquid fuel to the combustion chamber.
  • This operating variant of the invention serves to further reduce exhaust gas emissions, in particular nitrogen oxide emissions.
  • the central atomization lance is no longer used for introducing the liquid fuel, rather the liquid fuel is introduced in the upper load range Fuel exclusively using the decentralized atomizing nozzles friction area of high loads.
  • the invention relates to a combustion chamber of a gas turbine, a gas turbine with such a combustion chamber and a method for operating such a gas turbine.
  • combustion chamber 1 shows a schematic section from a gas turbine in the area of a combustion chamber 1.
  • the combustion chamber 1 is delimited by a wall 2, with a fuel being burned in the combustion chamber 1.
  • Exhaust gas produced during the combustion of the fuel in the combustion chamber 1 can be supplied to a turbine of the gas turbine (not shown) in order to expand the exhaust gas in the turbine and thereby gain energy.
  • Combustion chamber 1 is designed as a dual-fuel combustion chamber, which can be operated in a gas fuel operating mode on the one hand and in a liquid fuel operating mode on the other.
  • a gaseous fuel is burned in the same, a mixture of the gaseous fuel and combustion air of the combustion chamber 1, in 1 an antechamber 9 of the combustion chamber 1, via a swirl body 3 is supplied.
  • the swirler 3 is preferably designed as a radial swirler and generates a defined swirl of the mixture of combustion air and gaseous fuel entering the prechamber 9 of the combustion chamber 1 .
  • the mixture of the gaseous fuel and the combustion air is ignited in the gaseous fuel operating mode by means of an electric ignition device, not shown.
  • liquid fuel operating mode of the combustion chamber 1 a liquid fuel is burned in the same, the liquid fuel of the combustion chamber 1, in 1 the antechamber 9 of the combustion chamber 1, with the aid of an atomizing device 4 is supplied.
  • the atomizing device 4 has a central atomizing lance 17, which is positioned approximately in the middle of the antechamber 9 of the combustion chamber 1 or on a longitudinal center axis 20 of the antechamber 9 of the combustion chamber 1 or on a longitudinal center axis 20 of the combustion chamber 1 and which emits the liquid fuel in Direction of the longitudinal center axis 20 to form an atomization cone or spray cone 8a in the antechamber 9 of the combustion chamber 1 injected.
  • the atomizing device 4 has a plurality of atomizing nozzles 18 which are decentralized in relation to the longitudinal center axis 20 of the combustion chamber 1 or the antechamber 9 and which spray liquid fuel can also inject into the antechamber 9 of the combustion chamber 1, with the formation of a respective spray cone 8b.
  • the atomizing device 4 therefore has the central atomizing lance 17 and several decentralized atomizing nozzles 18.
  • the central atomizing lance 17 has at least one atomizing nozzle, preferably several atomizing nozzles 15, 16 (see 2 ).
  • FIG. 2 shows a detail of the central atomizing lance 17 of the atomizing device 4.
  • a radial gap 6 is formed, via which combustion air can also be fed to the combustion chamber 1, namely the antechamber 9, specifically bypassing the swirl body 3.
  • That component 15 which defines the annular gap 6 together with the atomizing lance 17 of the atomizing device 4 is preferably designed as a separate sleeve which is accommodated in the mounting wall 12 .
  • the mounting wall 12 itself to provide the component 5 which adjoins the atomizing lance 17 radially on the outside and which together with the atomizing lance 17 defines the radial gap 6 .
  • the atomizing nozzles 8 of the atomizing device 4, which are decentralized with respect to the longitudinal center axis 20 of the combustion chamber 1 or antechamber 9, are preferably on a circular path 19 (see FIG 3 ) positioned, which extends around the longitudinal center axis 20 of the combustion chamber 1 or the longitudinal center axis 20 of the antechamber 9 of the combustion chamber 1 .
  • the decentralized atomizing nozzles 18 accordingly surround the central atomizing lance 17 preferably concentrically.
  • this radius d 18 of the circular path 19 on which the decentralized atomizing nozzles 18 are arranged is between 0.4 times and 1.1 times an inner diameter d 3 of the swirl body 3 .
  • the radius d 18 of the circular path 19 on which the decentralized atomizing nozzles 18 are arranged is between 1.0 and 1.1 times the inner diameter d 3 of the swirler 3, the decentralized atomizing nozzles 18 at least partially overlap the swirl body 3 in the area of its exit area.
  • the decentralized atomizing nozzles 18 can also be arranged on a plurality of preferably concentric circular paths or on an elliptical path or a polygon.
  • the central atomizing lance 17 of the atomizing device 4 preferably comprises a plurality of atomizing nozzles, in the exemplary embodiment of FIG 2 two atomizing nozzles 15, 16, which are preferably swirl atomizing nozzles.
  • the liquid fuel can be supplied in the liquid fuel operating mode starting from a common liquid fuel supply 21, with the fuel guided by the liquid fuel supply 21 being able to be divided into two liquid fuel partial supplies 21a, 21b in order to have both atomizing nozzles 15, 16 of the central atomizing lance 17 to supply liquid fuel.
  • the central atomizing lance 17 with its two atomizing nozzles 15, 16 sprays the liquid fuel in the direction of the combustion chamber 1 at the spray angle ⁇ , which is a maximum of 60°, preferably a maximum of 55°.
  • the spray angle ⁇ is a maximum of 60°, preferably a maximum of 55°. This ensures that neither the walls 2a of the prechamber 9 nor the walls 2 of the combustion chamber 1 are wetted with liquid fuel, as a result of which more effective combustion of the liquid fuel can be provided.
  • combustion air can be supplied to the combustion chamber 1 , in particular to the antechamber 9 , via the gap 6 .
  • the air flow 14, which is guided through this annular gap 6, serves on the one hand to cool the central atomizing lance 17 of the atomizing device 4, and on the other hand this air flow 14 at least partially surrounds the spray cone 8a of the liquid fuel of the atomizing lance 17 on the outside and thus bundles it.
  • the combustion air 14 which the combustion chamber 1, in 1 of the antechamber 9, bypassing the swirl body 3 via the radial gap 6, is in particular between 1% and 10% of the combustion air, which can be supplied to the combustion chamber via the swirl body 3.
  • the combustion air flow 14 can be supplied not only to the combustion chamber 1 in the liquid fuel operating mode, but also to the combustion chamber 1 in the gaseous fuel operating mode via the radial gap 6, with the atomizing device 4, i.e. in particular the atomizing lance 17 of the same, being inactive in the gaseous fuel operating mode, so that then in the gaseous fuel operating mode via the atomizing device 4 no fuel is introduced, only via the swirl body 3.
  • the atomizing lance 17 is aligned centrally, in relation to the longitudinal central axis 20.
  • Liquid fuel can be introduced into a central recirculation zone via the atomizing lance 17 in the liquid fuel operating mode. This ensures a very stable combustion.
  • the introduction of the liquid fuel via the central atomization lance 17 in relation to the longitudinal center axis 20 therefore takes place locally, that is to say not homogeneously with respect to the combustion air, so that no premixing of liquid fuel and combustion air takes place.
  • the combustion chamber 1 comprises, in addition to the central atomizing lance 17, a plurality of decentralized atomizing nozzles 18 which are preferably arranged on the circular path 19.
  • These decentralized atomizing nozzles 18 are connected via a separate liquid fuel supply 22 (see 1 ) can be supplied with liquid fuel, with the decentralized atomizing nozzles 18 introducing the liquid fuel into the antechamber 9 or combustion chamber 1 in approximately the same direction as the central atomizing lance 17, but with a spray angle ⁇ that is smaller than the spray angle ⁇ , the spray angle ⁇ of the decentralized atomizing nozzles 18 preferably being at most 50°, preferably at most 40°.
  • the fuel is introduced into the combustion chamber 1, in particular into the antechamber 9, forming a homogeneous distribution with the combustion air; at the same time, a partial premixing of combustion air and liquid fuel is provided, in particular supported by the fact that the decentralized atomizing nozzles 18 are arranged adjacent to the outlet of the swirl body 3 .
  • This partial premixing can be improved if the radius d 18 is larger than the radius d 3 .
  • the radius d 18 can be between 1.0 times and 1.1 times the radius d 3 .
  • Double jet nozzles or so-called plain jets are preferably used as decentralized atomizing nozzles 18 .
  • a homogeneous supply of the liquid fuel to the combustion air is achieved via the decentralized atomizing nozzles 18, and also a partial premixing of liquid fuel and combustion air.
  • Combustion air can also be routed via the annular gap 6 in the gaseous fuel operating mode.
  • the combustion air flow 14 conducted via the annular gap 6 is branched off in the region of an air space, a so-called plenum 10, upstream of the swirl body 3.
  • combustion chamber 1 When combustion chamber 1 is operated in liquid fuel operating mode with active atomization device 4, liquid fuel is supplied to combustion chamber 1 or prechamber 9 via atomization device 4, combustion air via swirl body 3 and preferably via annular gap 6 between central atomization lance 17 and the component 5
  • both the central atomizing lance 17 and the decentralized atomizing nozzles 18 of the atomizing device 4 are used in the liquid fuel operating mode in the entire operating range between idle and full load to supply the combustion chamber 1 with the liquid fuel.
  • the power modulation then takes place by changing the liquid fuel introduced into the combustion chamber 1 via the decentralized atomizing nozzles 18 (see curve 22), so that as the load requirement L increases, the load component 23 of the central atomizing lance 17 falls compared to the load component of the decentralized atomizing nozzles 18 or the corresponding load component 24 of the decentralized atomizing nozzles 18 increases.
  • both the central atomizing lance 17 and the decentralized atomizing nozzles 18 are used in the entire load range or operating range between idle and full load in order to supply the liquid fuel to the combustion chamber, it is provided in particular that to ignite the combustion in the combustion chamber 1, fuel is introduced into the combustion chamber 1 exclusively via one of the two atomizing nozzles 15, 16 of the atomizing lance 17, and that after ignition and after a defined speed of the gas turbine has been reached, both atomizing nozzles 15, 16 of the atomizing lance 17 are used to inject the fuel via to introduce the atomizing lance 17 into the combustion chamber 1.
  • the power modulation takes place exclusively via the variation of the amount of fuel provided via the decentralized atomizing nozzles 18 .
  • This operating concept is particularly suitable for rapid load changes on the gas turbine, since then, apart from the ignition process, no atomizing nozzles have to be switched on or off. Also it is not necessary after turning off atomizing nozzles to rinse the same.
  • This operating concept serves a very robust and stable combustion of the liquid fuel.
  • low fuel emissions can be realized, in particular nitrogen oxide emissions of less than 150 vppm.
  • figure 5 illustrates a second operating concept of the combustion chamber according to the invention or of the gas turbine according to the invention comprising the combustion chamber according to the invention. So shows figure 5 that the load range L between idle (0%) and full load (100%) is divided into two load ranges, namely a load range between idle (0%) and a limit value GW, and a load range between a limit value GW and Full load (100%).
  • both the central atomizing lance 17 and the decentralized atomizing nozzles 18 are used in the operating range or load range below the specified load limit GW in order to supply liquid fuel to the combustion chamber 1 .
  • the amount of fuel introduced via the central atomizing lance 17 is preferably constant in this load range, and the power modulation then takes place exclusively via the change in the amount of liquid fuel introduced via the decentralized atomizing nozzles 18 (see curve 22).
  • the central atomizing lance 17 is switched off, so that no more fuel is then supplied via the same, so that in the upper load range between the load limit GW and full load (100%) liquid fuel is supplied exclusively via the decentralized atomizing nozzles 18 of the combustion chamber 1 is supplied.
  • One advantage of this second operating concept according to the invention is that at loads above the defined load limit GW, the liquid fuel is not introduced centrally into the recirculation zone of the combustion chamber 1, but exclusively decentralized, so that all liquid fuel introduced is introduced homogeneously with the combustion air and is partially premixed can be guaranteed with combustion air, whereby exhaust emissions, especially nitrogen oxide emissions, compared to the operating concept of 4 can be further reduced. In particular, nitrogen oxide emissions of less than 90 vppm can be realized.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Gasturbine nach dem Oberbergriff des Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Gasturbine.
  • Gasturbinen verfügen über eine Brennkammer sowie über eine der Brennkammer nachgeordnete Turbine. In der Brennkammer einer Gasturbine wird ein Kraftstoff verbrannt und hierbei heißes Abgas erzeugt. Das heiße Abgas wird in der Turbine der Gasturbine entspannt, um hierbei Energie zu gewinnen, die dazu dienen kann, Antriebsleistung bereitzustellen, um zum Beispiel zur Erzeugung von elektrischem Strom einen Generator anzutreiben. Aus der Praxis sind bereits als Dual-Fuel-Gasturbinen ausgebildete Gasturbinen bekannt, wobei solche Dual-Fuel-Gasturbinen eine Dual-Fuel-Brennkammer umfassen, in der in einem Gaskraftstoffbetriebsmodus ein gasförmiger Kraftstoff und in einem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus ein flüssiger Kraftstoff verbrannt wird. In dem Gaskraftstoffbetriebsmodus ist ein Gemisch aus einem gasförmigen Kraftstoff und Verbrennungsluft über einen Drallkörper der Brennkammer zuführbar. In dem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus ist der Brennkammer der Gasturbine der flüssige Kraftstoff über eine Zerstäubungseinrichtung und die Verbrennungsluft über den Drallkörper zuführbar.
  • Aus der nachveröffentlichten EP 3 351 854 A1 ist eine Brennkammer einer Gasturbine nach dem Oberbergriff des Anspruch 1 bekannt.
  • US 2015/0082770 A1 offenbart eine Dual-Fuel-Brennkammer. Diese Dual-Fuel-Brennkammer weist eine Zerstäubungseinrichtung mit einer zentralen Zerstäubungsdüse und mehreren dezentralen Zerstäubungsdüsen auf. Flüssiger Kraftstoff wird in die Brennkammer sowohl über die zentrale Zerstäubungsdüse als auch über die dezentralen Zerstäubungsdüsen in die Brennkammer eingebracht. Gasförmiger Kraftstoff wird hingegen ausschließlich über die dezentralen Zerstäubungseinrichtungen in die Brennkammer eingebracht.
  • DE 198 39 085 A1 offenbart eine Brenneranordnung mit primärem und sekundärem Pilotbrenner. Einem Hauptbrenner kann Brenngas und/oder Brennöl zugeführt werden. Das Brenngas für den Hauptbrenner wird im Bereich eines Drallerzeugers mit Verbrennungsluft gemischt. Das Brennöl für den Hauptbrenner wird unmittelbar im Bereich des Hauptdrallerzeugers der Luft zugeführt. Dem Pilotbrenner, welcher dem Zünden und/oder Stabilisieren der Hauptflamme im Hauptbrenner dient, wird Brennstoff über weitere Brennstoffkanäle zugeführt.
  • Es besteht Bedarf daran, als Dual-Fuel-Brennkammern ausgebildete Brennkammern einer Gasturbine dahingehend weiter zu verbessern, dass insbesondere im Flüssigkraftstoffbetriebsmodus der flüssige Kraftstoff effektiver verbrannt werden kann, und zwar unter Reduzierung von unerwünschten Abgasemissionen wie Stickoxidemissionen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Brennkammer einer Gasturbine, eine Gasturbine einer solchen Brennkammer und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Gasturbine zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennkammer einer Gasturbine nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die Zerstäubungseinrichtung weist eine bezogen auf eine Längsmittelachse der Brennkammer oder bezogen auf eine Längsmittelachse einer Vorkammer der Brennkammer zentrale Zerstäubungslanze mit mindestens einer Zerstäubungsdüse auf. Die Zerstäubungseinrichtung weist ferner mehrere bezogen auf die Längsmittelachse der Brennkammer oder bezogen auf die Längsmittelachse der Vorkammer der Brennkammer dezentrale Zerstäubungsdüsen auf.
  • Über die zentrale Zerstäubungslanze, die mindestens eine Zerstäubungsdüse umfasst, sowie über die mehreren dezentralen Zerstäubungsdüsen kann im Flüssigkraftstoff-Betriebsmodus der flüssige Kraftstoff optimal in die Brennkammer eingebracht werden, um eine effektive Verbrennung des flüssigen Kraftstoffs zu gewährleisten. Über die zentrale Zerstäubungslanze kann der flüssige Kraftstoff direkt in eine zentrale Rezirkulationszone innerhalb der Brennkammer oder der Vorkammer der Brennkammer eingebracht werden, wodurch eine stabile Verbrennung erreicht werden kann. Das Einbringen des Kraftstoffs über die zentrale Zerstäubungslanze erfolgt dabei nicht homogen zur Verbrennungsluft, es erfolgt hier keine Vormischung von flüssigem Kraftstoff und Verbrennungsluft. Über die dezentralen Zerstäubungsdüsen kann der flüssige Kraftstoff homogen in der Verbrennungsluft verteilt werden. Ferner wird durch die dezentralen Zerstäubungsdüsen eine Teilvormischung von flüssigem Kraftstoff und Verbrennungsluft erreicht. Durch die dezentralen Zerstäubungsdüsen können im Vergleich zur zentralen Zerstäubungslanze Abgasemissionen, insbesondere Stickoxidemissionen, reduziert werden.
  • Die zentrale Zerstäubungslanze weist mindestens zwei, vorzugsweise zwei, Zerstäubungsdüsen auf, die alleine und gemeinsam jeweils einen Zerstäubungskegel mit einem maximalen Sprühwinkel von 60°, vorzugsweise von maximal 55°, bereitstellen. Jeder der dezentralen Zerstäubungsdüsen stellt jeweils einen Zerstäubungskegel mit einem maximalen Sprühwinkel von 50°, vorzugsweise von maximal 40°, bereit. Hiermit kann vermieden werden, dass Wände der Brennkammer sowie der Vorkammer der Brennkammer mit flüssigem Kraftstoff benetzt werden. Insbesondere dient dies der effektiven Verbrennung des flüssigen Kraftstoffs unter Reduzierung von Abgasemissionen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die dezentralen Zerstäubungsdüsen auf einer sich um die Längsmittelachse der Brennkammer oder um die Längsmittelachse der Vorkammer der Brennkammer erstreckenden Kreisbahn positioniert. Vorzugsweise ist ein Mittelpunkt der Kreisbahn, auf welcher die dezentrale Zerstäubungsdüse positioniert ist, auf der Längsmittelachse der Brennkammer oder der Vorkammer der Brennkammer positioniert. Vorzugsweise beträgt ein Radius der Kreisbahn, auf welcher die dezentralen Zerstäubungsdüsen positioniert sind, zwischen dem 0,4-fachen und 1,1-fachen eines Innenradius des Drallkörpers. Über solche dezentralen Zerstäubungsdüsen kann der flüssige Kraftstoff unter Bereitstellung einer homogene Verteilung desselben mit der Verbrennungsluft sowie im Hinblick auf eine Vormischung desselben mit der Verbrennungsluft optimal in die Brennkammer eingebracht werden, um Abgasemissionen wie Stickoxidemissionen möglichst stark zu reduzieren.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die zentrale Zerstäubungslanze unter Ausbildung eines Radialspalts radial außen von einem angrenzenden Bauteil zumindest abschnittsweise umgeben, wobei der Brennkammer über den Radialspalt Verbrennungsluft unter Umgehung des Drallkörpers zuführbar ist. Auch hiermit kann bei Verwendung der zentralen Zerstäubungslanze für das Einbringen des flüssigen Kraftstoffs in die Brennkammer oder Vorkammer der Brennkammer eine effektive Verbrennung des flüssigen Kraftstoffs im Flüssigkraftstoffbetriebsmodus unter Reduzierung von insbesondere Stickoxidemissionen gewährleistet werden. Die erfindungsgemäße Gasturbine ist in Anspruch 8 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben derselben ist in Anspruch 9 definiert.
  • Nach einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in dem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus sowohl die zentrale Zerstäubungslanze als auch die dezentralen Zerstäubungsdüsen im gesamten Betriebsbereich zwischen Leerlauf und Volllast genutzt, um der Brennkammer den flüssigen Kraftstoff zuzuführen. Diese Betriebsvariante der Erfindung eignet sich dann, wenn die zu betreibende Gasturbine schnelle Lastwechsel ausführen soll, da dann einzelne Einspritzdüsen nicht eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden müssen. Spülprozeduren, wie sie beim Ausschalten einzelner Zerstäubungsdüsen erforderlich sind, können so vermieden werden. Abgasemissionen können im Vergleich zu Gasturbienen, deren Brennkammern nur eine zentrale Zerstäubungslanze aufweisen, reduziert werden.
  • Nach einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in dem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus in einem Betriebsbereich unterhalb einer vorgegebenen Lastgrenze sowohl die zentrale Zerstäubungslanze(als auch die dezentralen Zerstäubungsdüsen genutzt, um der Brennkammer flüssigen Kraftstoff zuzuführen, wohingegen in einem Betriebsbereich oberhalb der vorgegebenen Lastgrenze ausschließlich die dezentralen Zerstäubungsdüsen genutzt werden, um der Brennkammer den flüssigen Kraftstoff zuzuführen. Diese Betriebsvariante der Erfindung dient der weiteren Reduzierung von Abgasemissionen, insbesondere Stickoxidemissionen. In einem oberen Lastbereich wird die zentrale Zerstäubungslanze zum Einbringen des flüssigen Kraftstoffs nicht weiter genutzt, vielmehr erfolgt im oberen Lastbereich des Einbringen des flüssigen Kraftstoffs ausschließlich unter Verwendung der dezentralen Zerstäubungsdüsen. Hierdurch können Abgasemissionen wie Stickoxidemissionen weiter reduziert werden, nämlich im Betriebsbereich hoher Lasten.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Brennkammer einer erfindungsgemäßen Gasturbine;
    Fig. 2
    das Detail II der Fig. 1;
    Fig. 3
    ein Detail der Fig. 1 in Blickrichtung III;
    Fig. 4
    ein Diagramm zur Verdeutlichung eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Gasturbine; und
    Fig. 5
    ein Diagramm zur Verdeutlichung eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Gasturbine.
  • Die Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Gasturbine, eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Gasturbine.
  • Fig. 1 zeigt einen schematisierten Ausschnitt aus einer Gasturbine im Bereich einer Brennkammer 1. Die Brennkammer 1 wird von einer Wand 2 begrenzt, wobei in der Brennkammer 1 ein Kraftstoff verbrannt wird. Bei der Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkammer 1 entstehendes Abgas ist einer nicht gezeigten Turbine der Gasturbine zuführbar, um das Abgas in der Turbine zu entspannen und hierbei Energie zu gewinnen.
  • Die Brennkammer 1 ist als Dual-Fuel-Brennkammer ausgebildet, die einerseits in einem Gaskraftstoffbetriebsmodus und andererseits in einem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus betrieben werden kann.
  • Im Gaskraftstoffbetriebsmodus der Brennkammer 1 wird in derselben ein gasförmiger Kraftstoff verbrannt, wobei ein Gemisch aus dem gasförmigen Kraftstoff und Verbrennungsluft der Brennkammer 1, in Fig. 1 einer Vorkammer 9 der Brennkammer 1, über einen Drallkörper 3 zugeführt wird.
  • Der Drallkörper 3 ist vorzugsweise als Radialdrallkörper ausgeführt und erzeugt einen definierten Drall des in die Vorkammer 9 der Brennkammer 1 eintretenden Gemischs aus Verbrennungsluft und gasförmigem Kraftstoff. Das Gemisch aus dem gasförmigen Kraftstoff und der Verbrennungsluft wird im Gaskraftstoffbetriebsmodus mit Hilfe einer nicht gezeigten elektrischen Zündeinrichtung gezündet.
  • Im Flüssigkraftstoffbetriebsmodus der Brennkammer 1 wird in derselben ein flüssiger Kraftstoff verbrannt, wobei der flüssige Kraftstoff der Brennkammer 1, in Fig. 1 der Vorkammer 9 der Brennkammer 1, mit Hilfe einer Zerstäubungseinrichtung 4 zugeführt wird.
  • Die Zerstäubungseinrichtung 4 verfügt über eine zentrale Zerstäubungslanze 17, die in etwa in der Mitte der Vorkammer 9 der Brennkammer 1 bzw. auf einer Längsmittelachse 20 der Vorkammer 9 der Brennkammer 1 bzw. auf einer Längsmittelachse 20 der Brennkammer 1 positioniert ist und den flüssigen Kraftstoff in Richtung der Längsmittelachse 20 unter Ausbildung eines Zerstäubungskegels bzw. Sprühkegels 8a in die Vorkammer 9 der Brennkammer 1 einspritzt.
  • Zusätzlich zu dieser bezogen auf die Längsmittelachse 20 der Brennkammer 1 oder der Vorkammer 9 zentralen Zerstäubungslanze 17 verfügt die Zerstäubungseinrichtung 4 über mehrere bezogen auf die Längsmittelachse 20 der Brennkammer 1 oder Vorkammer 9 dezentrale Zerstäubungsdüsen 18, die flüssigen Kraftstoff ebenfalls in die Vorkammer 9 der Brennkammer 1 einspritzen können, und zwar unter Ausbildung eines jeweiligen Sprühkegels 8b.
  • Die Zerstäubungseinrichtung 4 verfügt demnach über die zentrale Zerstäubungslanze 17 sowie mehrere dezentrale Zerstäubungsdüsen 18. Die zentrale Zerstäubungslanze 17 weist mindestens eine Zerstäubungsdüse auf, vorzugsweise mehrere Zerstäubungsdüsen 15, 16 (siehe Fig. 2).
  • Fig. 2 zeigt ein Detail der zentralen Zerstäubungslanze 17 der Zerstäubungseinrichtung 4. Zwischen der Zerstäubungslanze 17, die in einer Montagewand 12 der Brennkammer 1 aufgenommen ist, und einem angrenzenden Bauteil 5, das ebenfalls in der Montagewand 12 aufgenommen ist, das sich radial außen an die Zerstäubungslanze 17 der Zerstäubungseinrichtung 4 anschließt und das die Zerstäubungslanze 17 der Zerstäubungseinrichtung 4 radial außen zumindest abschnittsweise umgibt, ist ein Radialspalt 6 ausgebildet, über den ebenfalls Verbrennungsluft der Brennkammer 1, nämlich der Vorkammer 9, zugeführt werden kann, und zwar unter Umgehung des Drallkörpers 3. So visualisiert ein Pfeil 13 (siehe Fig. 1) eine Strömung von Verbrennungsluft über den Drallkörper 3 und ein Pfeil 14 (siehe Fig. 2) eine Strömung von Verbrennungsluft über den Radialspalt 6 zwischen der Zerstäubungslanze 17 und dem Bauteil 5, wobei die Verbrennungsluftströmung über diesen Radialspalt 6 über ein Ventil 25 eingestellt werden.
  • Dasjenige Bauteil 15, welches zusammen mit der Zerstäubungslanze 17 der Zerstäubungseinrichtung 4 den Ringspalt 6 definiert, ist vorzugsweise als separate Hülse ausgeführt, die in der Montagewand 12 aufgenommen ist. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass die Montagewand 12 selbst das sich radial außen an die Zerstäubungslanze 17 angrenzende Bauteil 5, welches zusammen mit der Zerstäubungslanze 17 den Radialspalt 6 definiert, bereitstellt.
  • Die bezogen auf die Längsmittelachse 20 der Brennkammer 1 oder Vorkammer 9 dezentralen Zerstäubungsdüsen 8 der Zerstäubungseinrichtung 4 sind vorzugsweise auf einer Kreisbahn 19 (siehe Fig. 3) positioniert, die sich um die Längsmittelachse 20 der Brennkammer 1 bzw. die Längsmittelachse 20 der Vorkammer 9 der Brennkammer 1 herum erstreckt.
  • Ein Mittelpunkt dieser Kreisbahn 19, auf welcher die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 positioniert sind, ist dabei auf der Längsmittelachse 20 positioniert. Die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 umgeben demnach die zentrale Zerstäubungslanze 17 vorzugsweise konzentrisch.
  • Fig. 3 zeigt einen Radius d18 der Kreisbahn 19, auf welcher die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 angeordnet sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass dieser Radius d18 der Kreisbahn 19, auf welcher die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 positioniert sind, zwischen dem 0,4-fachen und dem 1,1-fachen eines Innendurchmessers d3 des Drallkörpers 3 beträgt. Dann, wenn der Radius d18 der Kreisbahn 19, auf welchem die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 angeordnet sind, zwischen dem 1,0-fachen und dem 1,1-fachen des Innendurchmessers d3 des Drallkörpers 3 beträgt, überdecken die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 zumindest teilweise den Drallkörper 3 im Bereich seines Austrittsbereichs.
  • Die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 können auch auf mehreren vorzugsweise konzentrischen Kreisbahnen oder auf einer Ellipsenbahn oder einem Polygon angeordnet sein.
  • Wie bereits ausgeführt, umfasst die zentrale Zerstäubungslanze 17 der Zerstäubungseinrichtung 4 vorzugsweise mehrere Zerstäubungsdüsen, im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zwei Zerstäubungsdüsen 15, 16, bei welchen es sich vorzugsweise um Drall-Zerstäubungsdüsen handelt. Diesen beiden Zerstäubungsdüsen 15, 16 der zentralen Zerstäubungslanze 17 kann der flüssige Kraftstoff im Flüssigkraftstoffbetriebsmodus ausgehend von einer gemeinsamen Flüssigkraftstoffzuführung 21 zugeführt werden, wobei der von der Flüssigkraftstoffzuführung 21 geführte Kraftstoff in zwei Flüssigkraftstoffteilzuführungen 21a, 21b aufteilbar ist, um beide Zerstäubungsdüsen 15, 16 der zentralen Zerstäubungslanze 17 mit flüssigem Kraftstoff zu versorgen.
  • Die zentrale Zerstäubungslanze 17 mit ihren beiden Zerstäubungsdüsen 15, 16 sprüht den flüssigen Kraftstoff in Richtung auf die Brennkammer 1 mit dem Sprühwinkel α ein, der maximal 60°, vorzugsweise maximal 55°, beträgt. Sowohl dann, wenn beide Zerstäubungsdüsen 15, 16 der Zerstäubungslanze 17 gemeinsam betrieben werden, als auch dann, wenn eine dieser Zerstäubungsdüsen 15, 16 alleine betrieben wird, beträgt der Sprühwinkel α jeweils maximal 60°, vorzugsweise maximal 55°. Dadurch wird sichergestellt, dass weder Wände 2a der Vorkammer 9 noch Wände 2 der Brennkammer 1 mit flüssigem Kraftstoff benetzt werden, wodurch eine effektivere Verbrennung des flüssigen Kraftstoffs bereitgestellt werden kann.
  • Wie bereits ausgeführt, kann über den Spalt 6 Verbrennungsluft der Brennkammer 1, insbesondere der Vorkammer 9, zugeführt werden. Die Luftströmung 14, die über diesen Ringspalt 6 geführt wird, dient einerseits dazu, die zentrale Zerstäubungslanze 17 der Zerstäubungseinrichtung 4 zu kühlen, andererseits umgibt diese Luftströmung 14 zumindest teilweise außen den Sprühkegel 8a des flüssigen Kraftstoffs der Zerstäubungslanze 17 und bündelt so denselben.
  • Diejenige Verbrennungsluft 14, welche der Brennkammer 1, in Fig. 1 der Vorkammer 9, unter Umgehung des Drallkörpers 3 über den Radialspalt 6 zuführbar ist, beträgt insbesondere zwischen 1 % und 10 % der Verbrennungsluft, welche der Brennkammer über den Drallkörper 3 zuführbar ist.
  • Dabei kann die Verbrennungsluftströmung 14 nicht nur im Flüssigkraftstoffbetriebsmodus der Brennkammer 1 sondern auch im Gaskraftstoffbetriebsmodus der Brennkammer 1 über den Radialspalt 6 zugeführt werden, wobei im Gaskraftstoffbetriebsmodus die Zerstäubungseinrichtung 4, also insbesondere die Zerstäubungslanze 17 derselben, inaktiv ist, sodass dann im Gaskraftstoffbetriebsmodus über die Zerstäubungseinrichtung 4 kein Kraftstoff eingebracht wird, sondern lediglich über den Drallkörper 3.
  • Wie bereits ausgeführt, ist die Zerstäubungslanze 17 zentrisch, bezogen auf die Längsmittelachse 20, ausgerichtet, über die Zerstäubungslanze 17 kann im Flüssigkraftstoff-Betriebsmodus flüssiger Kraftstoff in eine zentrale Rezirkulationszone eingebracht werden. Hierdurch kann eine sehr stabile Verbrennung gewährleistet werden. Das Einbringen des flüssigen Kraftstoffs über die bezogen auf die Längsmittelachse 20 zentrale Zerstäubungslanze 17 erfolgt demnach lokal, also nicht homogen zur Verbrennungsluft, sodass keine Vormischung flüssigem Kraftstoff und Verbrennungsluft erfolgt.
  • Wie bereits ausgeführt, umfasst die Brennkammer 1 zusätzlich zur zentralen Zerstäubungslanze 17 mehrere dezentrale Zerstäubungsdüsen 18, die vorzugsweise auf der Kreisbahn 19 angeordnet sind. Diese dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 sind über eine separate Flüssigkraftstoffzuführung 22 (siehe Fig. 1) mit flüssigem Kraftstoff versorgbar, wobei die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 den flüssigen Kraftstoff in etwa in der gleichen Richtung in die Vorkammer 9 bzw. Brennkammer 1 einbringen, wie die zentrale Zerstäubungslanze 17, jedoch mit einem Sprühwinkel β, der kleiner als der Sprühwinkel α ist, wobei der Sprühwinkel β der dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 vorzugsweise maximal 50°, bevorzugt maximal 40°, beträgt.
  • Mithilfe der dezentralen Zerstäubungsdüsen 18, die über die Kreisbahn 19 vorzugsweise gleichverteilt sind, wird der Brennstoff unter Ausbildung einer homogenen Verteilung mit der Verbrennungsluft in die Brennkammer 1, insbesondere in die Vorkammer 9 eingebracht, gleichzeitig wird eine Teilvormischung von Verbrennungsluft und flüssigem Kraftstoff bereitgestellt, insbesondere unterstützt dadurch, dass die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 benachbart zum Austritt des Drallkörpers 3 angeordnet sind. Diese Teilvormischung kann verbessert werden, wenn der Radius d18 größer als der Radius d3 ist. So kann der Radius d18 zwischen dem 1,0-fachen und dem 1,1-fachen des Radius d3 betragen.
  • Als dezentrale Zerstäubungsdüsen 18 finden vorzugsweise Doppelstrahl-Düsen bzw. sogenannten Plain Jets Verwendung. Über die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 wird eine homogene Zufuhr des flüssigen Kraftstoffs zur Verbrennungsluft erreicht, ferner eine Teilvormischung von flüssigem Kraftstoff und Verbrennungsluft.
  • Dann, wenn die Brennkammer 1 im Gaskraftstoffbetriebsmodus betrieben werden soll, wird der Brennkammer 1 ein Gas-Verbrennungsluft-Gemisch über den Drallkörper 3 zugeführt.
  • Ebenfalls kann im Gaskraftstoffbetriebsmodus Verbrennungsluft über den Ringspalt 6 geführt werden. Die über den Ringspalt 6 geführte Verbrennungsluftströmung 14 wird im Bereich eines Luftraums, eines sogenannten Plenums 10, stromaufwärts des Drallkörpers 3 zweigt.
  • So zeigt Fig. 1 eine Luftleitung 11, über die vom Plenum 10 Verbrennungsluft abgezweigt werden kann, wobei die vom Plenum 10 über die Luftleitung 11 abgezweigte Verbrennungsluft 14 einer von der Wand 12 ausgebildeten Luftkammer 7 zugeführt wird, um dann ausgehend von dieser Luftkammer 7 über den zwischen der Zerstäubungslanze 17 der Zerstäubungseinrichtung 4 und dem angrenzenden Bauteil 5 ausgebildeten Ringspalt 6 in die Vorkammer 9 der Brennkammer 1 eingebracht zu werden.
  • Dann, wenn die Brennkammer 1 im Flüssigkraftstoffbetriebsmodus mit aktiver Zerstäubungseinrichtung 4 betrieben wird, wird der Brennkammer 1 bzw. Vorkammer 9 der flüssige Kraftstoff über die Zerstäubungseinrichtung 4 zugeführt, Verbrennungsluft über den Drallkörper 3 und vorzugsweise über den Ringspalt 6 zwischen der zentralen Zerstäubungslanze 17 und dem Bauteil 5.
  • In einer ersten vorteilhaften Betriebsart ist vorgesehen, dass im FlüssigkraftstoffBetriebsmodus sowohl die zentrale Zerstäubungslanze 17 als auch die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 der Zerstäubungseinrichtung 4 im gesamten Betriebsbereich zwischen Leerlauf und Volllast genutzt werden, um der Brennkammer 1 den flüssigen Kraftstoff zuzuführen.
  • Für diesen ersten Betriebsfall sind in Fig. 4 über der Last L der Gasturbine mehrere Kurvenverläufe 21, 22, 23 und 24 gezeigt, wobei der Kurvenverlauf 21 der Flüssigkraftstoffzuführung 21 über die zentrale Zerstäubungslanze 17 entspricht, wobei der Kurvenverlauf 22 die Flüssigkraftstoffzuführung 22 über die dezentrale Zerstäubungsdüsen 18 entspricht, wobei der Kurvenverlauf 23 den Lastanteil an der Gesamtlast L zeigt, der durch die Verbrennung des über die zentrale Zerstäubungslanze 17 eingebrachten Flüssigkraftstoffs bereitgestellt werden kann, und wobei der Kurvenverlauf 24 den Lastanteil an der Gesamtlast L zeigt, der durch die Verbrennung des Kraftstoffs bereitstellt werden kann, der über die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 in die Brennkammer eingebracht wird.
  • So zeigt Fig. 4, dass dann, wenn über den gesamten Lastbereich zwischen 0 % (Leerlauf) und 100 % (Volllast) sowohl über die zentrale Zerstäubungslanze 17 als auch über die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 Kraftstoff der Brennkammer 1 zugeführt wird, im gesamten Betriebsbereich zwischen Leerlauf (0 %) und Volllast (100 %) über die zentrale Zerstäubungslanze 17 (siehe Kurvenverlauf21) vorzugsweise eine konstante Menge an flüssigem Kraftstoff der Brennkammer 1 zugeführt wird. Die Leistungsmodulation erfolgt dann durch Veränderung des über die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 (siehe Kurvenverlauf 22) in die Brennkammer 1 eingebrachten flüssigen Kraftstoffs, sodass mit zunehmender Lastanforderung L der Lastanteil 23 der zentralen Zerstäubungslanze 17 gegenüber dem Lastanteil der dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 abfällt bzw. der entsprechende Lastanteil 24 der dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 zunimmt.
  • Nach diesem Betriebskonzept, bei welchem im gesamten Lastbereich bzw. Betriebsbereich zwischen Leerlauf und Volllast sowohl die zentrale Zerstäubungslanze 17 als auch die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 genutzt werden, um der Brennkammer den flüssigen Kraftstoff zuzuführen, ist insbesondere vorgesehen, dass zum Zünden der Verbrennung in der Brennkammer 1 ausschließlich über eine der beiden Zerstäubungsdüsen 15, 16 der Zerstäubungslanze 17 Kraftstoff in die Brennkammer 1 eingebracht wird, und dass nach dem Zünden und nach dem Erreichen einer definierten Drehzahl der Gasturbine beide Zerstäubungsdüsen 15, 16 der Zerstäubungslanze 17 genutzt werden, um den Kraftstoff über die Zerstäubungslanze 17 in die Brennkammer 1 einzubringen.
  • Wie bereits ausgeführt, ist über den gesamten Betriebsbereich und damit Lastbereich der Gasturbine nach dem Betriebskonzept der Fig. 4 die über die zentrale Zerstäubungslanze 17 bereitgestellte Kraftstoffmenge konstant, die Leistungsmodulation erfolgt ausschließlich über die Variation der über die dezentrale Zerstäubungsdüsen 18 bereitgestellten Kraftstoffmenge. Dieses Betriebskonzept ist besonders für schnelle Lastwechsel an der Gasturbine geeignet, da dann bis auf den Zündvorgang keine Zerstäubungsdüsen eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden müssen. Auch ist es nicht erforderlich, nach dem Ausschalten von Zerstäubungsdüsen dieselben zu spülen. Dieses Betriebskonzept dient einer sehr robusten und stabilen Verbrennung des flüssigen Kraftstoffs. Es können darüber hinaus geringe Kraftstoffemissionen realisiert werden, insbesondere Stickoxidemissionen von weniger als 150 vppm.
  • Fig. 5 verdeutlicht ein zweites Betriebskonzept der erfindungsgemäßen Brennkammer bzw. der die erfindungsgemäße Brennkammer umfassenden, erfindungsgemäßen Gasturbine. So zeigt Fig. 5, dass sich der Lastbereich L zwischen dem Leerlauf (0 %) und der Volllast (100 %) in zwei Lastbereiche untergliedert, und zwar in einen Lastbereich zwischen Leerlauf (0 %) und einem Grenzwert GW, sowie in einen Lastbereich zwischen einem Grenzwert GW und Volllast (100 %).
  • Nach dem zweiten erfindungsgemäßen Betriebskonzept der Fig. 5 wird im Flüssigkraftstoffbetriebsmodus im Betriebsbereich bzw. Lastbereich unterhalb der vorgegebenen Lastgrenze GW sowohl die zentrale Zerstäubungslanze 17 als auch die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 genutzt, um flüssigen Kraftstoff der Brennkammer 1 zuzuführen. Dabei ist vorzugsweise in diesem Lastbereich die über die zentrale Zerstäubungslanze 17 eingebrachte Kraftstoffmenge (siehe Kurvenverlauf 21) konstant, die Leistungsmodulation erfolgt dann wiederum ausschließlich über die Änderung der über die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 eingebrachten Flüssigkraftstoffmenge (siehe Kurvenverlauf 22).
  • Im Lastbereich oberhalb des definierten Grenzwerts GW wird die zentrale Zerstäubungslanze 17 abgeschaltet, sodass dann über dieselbe keinerlei Kraftstoff mehr zugeführt wird, sodass dann im oberen Lastbereich zwischen der Lastgrenze GW und Volllast (100 %) flüssiger Kraftstoff ausschließlich über die dezentralen Zerstäubungsdüsen 18 der Brennkammer 1 zugeführt wird.
  • Ein Vorteil dieses zweiten erfindungsgemäßen Betriebskonzepts besteht darin, dass bei Lasten oberhalb der definierten Lastgrenze GW der flüssige Kraftstoff nicht zentral in die Rezirkulationszone der Brennkammer 1 eingebracht wird, sondern ausschließlich dezentral, sodass für den sämtlichen eingebrachten flüssigen Kraftstoff eine homogene Einbringung zur Verbrennungsluft und eine Teilvormischung mit Verbrennungsluft gewährleistet werden kann, wodurch Abgasemissionen, insbesondere Stickoxidemissionen, gegenüber dem Betriebskonzept der Fig. 4 weiter reduziert werden können. Insbesondere können Stickoxidemissionen von weniger als 90 vppm realisiert werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkammer
    2
    Wand
    2a
    Wand
    3
    Drallkörper
    4
    Zerstäubungseinrichtung
    5
    Bauteil
    6
    Radialspalt
    7
    Luftraum
    8a
    Zerstäubungskegel
    8b
    Zerstäubungskegel
    9
    Vorkammer
    10
    Luftraum / Plenum
    11
    Luftleitung
    12
    Wand
    13
    Verbrennungsluftströmung
    14
    Verbrennungsluftströmung
    15
    Zerstäubungsdüse
    16
    Zerstäubungsdüse
    17
    Zerstäubungslanze
    18
    Zerstäubungsdüse
    19
    Kreisbahn
    20
    Längsmittelachse
    21
    Flüssigkraftstoffzuführung
    21a
    Flüssigkraftstoffteilzuführung
    21b
    Flüssigkraftstoffteilzuführung
    22
    Flüssigkraftstoffzuführung
    23
    Lastanteil
    24
    Lastanteil
    25
    Ventil

Claims (13)

  1. Brennkammer (1) einer Gasturbine, zur Verbrennung eines Kraftstoffs unter Anwesenheit von Verbrennungsluft, wobei die Brennkammer (1) als Dual-Fuel-Brennkammer ausbildet ist,
    mit einer Vorkammer (9),
    mit einem Drallkörper (3),
    wobei der Vorkammer (9) der als Dual-Fuel-Brennkammer ausgebildeten Brennkammer (1) in einem Gaskraftstoffbetriebsmodus ein Gemisch aus einem gasförmigen Kraftstoff und Verbrennungsluft über den Drallkörper (3) zuführbar ist, und
    wobei der Vorkammer (9) der als Dual-Fuel-Brennkammer ausgebildeten Brennkammer (1) in einem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus über eine Zerstäubungseinrichtung (4) ein flüssiger Kraftstoff und über den Drallkörper (3) Verbrennungsluft zuführbar ist, die Zerstäubungseinrichtung (4) eine bezogen auf eine Längsmittelachse (20) der Brennkammer (1) oder bezogen auf eine Längsmittelachse (20) einer Vorkammer (9) der Brennkammer (1) zentrale Zerstäubungslanze (17) mit mindestens zwei Zerstäubungsdüsen (15, 16) aufweist, die alleine und gemeinsam jeweils einen Zerstäubungskegel (8a) mit einem maximalen Sprühwinkel (α) von 60° bereitstellen,
    wobei die Zerstäubungseinrichtung (4) mehrere bezogen auf die Längsmittelachse (20) der Brennkammer (1) oder bezogen auf die Längsmittelachse (20) der Vorkammer (9) der Brennkammer (1) dezentrale Zerstäubungsdüsen (18) aufweist, wobei jeder der dezentralen Zerstäubungsdüsen (18) jeweils einen Zerstäubungskegel (8b) mit einem maximalen Sprühwinkel (β) von 50° bereitstellt, der kleiner ist als der Sprühwinkel (α) der mindestens zwei Zerstäubungsdüsen (15, 16) der zentralen Zerstäubungslanze (17).
  2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dezentralen Zerstäubungsdüsen (18) auf einer sich um die Längsmittelachse (20) der Brennkammer oder um die Längsmittelachse (20) der Vorkammer der Brennkammer erstreckenden Kreisbahn (19) positioniert sind.
  3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelpunkt der Kreisbahn (19), auf welcher die dezentralen Zerstäubungsdüsen (18) positioniert sind, auf der Längsmittelachse (20) der Brennkammer (1) oder der Vorkammer (9) der Brennkammer (1) positioniert ist.
  4. Brennkammer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radius der Kreisbahn (19), auf welcher die dezentralen Zerstäubungsdüsen (18) positioniert sind, zwischen dem 0,4-fachen und 1,1-fachen eines Innenradius des Drallkörpers (3) beträgt.
  5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Zerstäubungslanze (17) unter Ausbildung eines Radialspalts (6) radial außen von einem angrenzenden Bauteil (5) zumindest abschnittsweise umgeben ist, wobei der Brennkammer (1) über den Radialspalt (6) Verbrennungsluft unter Umgehung des Drallkörpers (3) zuführbar ist.
  6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluftströmung, welche der Brennkammer (1) unter Umgehung des Drallkörpers (3) über den Radialspalt (6) zwischen der Zerstäubungslanze (17) der Zerstäubungseinrichtung (4) und dem angrenzenden Bauteil (5) zuführbar ist, zwischen 1% und 10% der Verbrennungsluftströmung beträgt, welche der Brennkammer über den Drallkörper (3) zuführbar ist.
  7. Brennkammer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer sowohl im Gaskraftstoffbetriebsmodus als auch im Flüssigkraftstoffbetriebsmodus Verbrennungsluft über den Radialspalt (6) zwischen der Zerstäubungslanze (17) der Zerstäubungseinrichtung (4) und dem angrenzenden Bauteil (5) zuführbar ist.
  8. Gasturbine,
    mit einer Brennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Verbrennung eines Kraftstoffs unter Anwesenheit von Verbrennungsluft,
    mit einer Turbine zur Entspannung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Brennkammer (1) in dem Gaskraftstoffbetriebsmodus ein Gemisch aus einem gasförmigen Kraftstoff und Verbrennungsluft über den Drallkörper (3) zugeführt wird,
    der Brennkammer (1) in dem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus über die Zerstäubungseinrichtung (4) ein flüssiger Kraftstoff und zumindest über den Drallkörper (3) Verbrennungsluft zugeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus sowohl die zentrale Zerstäubungslanze (17) als auch die dezentralen Zerstäubungsdüsen (18) im gesamten Betriebsbereich zwischen Leerlauf und Volllast genutzt werden, um der Brennkammer (1) den flüssigen Kraftstoff zuzuführen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass über die zentrale Zerstäubungslanze (17) im gesamten Betriebsbereich zwischen Leerlauf und Volllast der Brennkammer (1) eine konstante Mange an flüssigen Kraftstoff zugeführt wird, wobei die Leistungsmodulation durch Veränderung einer der Brennkammer (1) über die dezentralen Zerstäubungsdüsen (18) zugeführten Menge des flüssigen Kraftstoff durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus in einem Betriebsbereich unterhalb einer vorgegebenen Lastgrenze sowohl die zentrale Zerstäubungslanze (17) als auch die dezentralen Zerstäubungsdüsen (18) genutzt werden, um der Brennkammer (1) den flüssigen Kraftstoff zuzuführen, wohingegen in einem Betriebsbereich oberhalb der vorgegebenen Lastgrenze ausschließlich die dezentralen Zerstäubungsdüsen (18) genutzt werden, um der Brennkammer (1) den flüssigen Kraftstoff zuzuführen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Betriebsbereich unterhalb der vorgegebenen Lastgrenze über die zentrale Zerstäubungslanze (17) eine konstante Mange an flüssigem Kraftstoff zugeführt wird, wobei die Leistungsmodulation durch Veränderung einer der Brennkammer (1) über die dezentralen Zerstäubungsdüsen (18) zugeführten Menge des flüssigen Kraftstoff durchgeführt wird.
EP18176189.1A 2017-06-28 2018-06-06 Brennkammer einer gasturbine, gasturbine und verfahren zum betreiben derselben Active EP3421885B1 (de)

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DE102017114362.9A DE102017114362A1 (de) 2017-06-28 2017-06-28 Brennkammer einer Gasturbine, Gasturbine und Verfahren zum Betreiben derselben

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