NO854511L - Forbrenningsanordning for gassturbiner. - Google Patents

Abstract

(57) Sammendrag. En forbrenningsanordning for gassturbiner omfatter en totrinns brenner (12) med et første og et annet forbrenningsavsnitt (18 resp. 20) og et utløpsavsnitt (22) og en brennermantel (24). som koaksialt omgir brenneren (12) for å fastlegge. en ringformet passasje (26) for strømning av inn-løpsluft i motsatt retning. Brenneren omfatter et brenselinnsprøytningsorgan (30) ved brennerens opp-strømsende (14), primærinnløpsåpninger (40) som fører 18% av innløpsluften inn i det første forbrenningsavsnitt (18), første kjøleåpninger (42). som fører 12% av innløpsluften inn i det første forbrenningsavsnitt (18) for å frembringe en hvirvlende kjølestrøm som blander seg med primærluft etter å ha avkjølt oppstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt (18), sekundærinnløps-åpninger (44) som fører 18% av innløpsluften inn i det avsnitt (20) hvor det annet forbrenningstrinn finner sted, andre kjøleåpninger (46) som fører 8%. av innløpsluften inn i det annet forbrenningsavsnitt (20) for å frembringe en hvirvlende strøm som blander seg med primærluft etter å ha avkjølt oppstrømsenden av det annet forbrenningsavsnitt (20), og fortynningsåpninger (48) som fører 44% av innløpsluften inn i utløpsavsnittet (22) for å avkjøle avgassene.

Description

Oppfinnelsen angår en forbrenningsanordning for gassturbiner, og nærmere bestemt en konveksjonsavkjølt, totrinns forbrenningsanordning med lave trykktap og jevn utløpstemperatur.

Forskjellige typer for kjente forbrenningsanordninger eller forbrenningskamre for gassturbiner er kjent og omtalt i

Boyce, "Gas Turbine Engineering Handbook", kapitel 10, pp.281-301 (1982). Som anført i denne bok bestemmes forbrenningsanordningens ytelse av virkningsgraden, trykktapet og temperaturpro-filen eller -fordelingen.

Oppfinnelsen angår en forbrenningsanordning med lav lufthastighet og totrinns forbrenning som skaffer en total temperaturfordelingsfaktor på mellom 0,07 og 0,12. Dette oppnås ved anvendelse av konveksjonskjøling og unngåelse av vanlig film-kjøling av forbrenningsanordningens vegger og ved bruk av en spesiell fordeling av den innløpsluft som kommer inn i forbrenningsanordningen.

Hensikten og fordelene ved oppfinnelsen kan tilveiebringes°9oppnås ved hjelp av de midler og kombinasjoner som er spe-sielt angitt i kravene.

I henhold til oppfinnelsen, slik den er eksemplifisert og generelt beskrevet i den foreliggende fremstilling, omfatter forbrenningsanordningen for en gassturbin en brenner som fastlegger en aksial fluidumstrømbane mellom en oppstrømsende og en nedstrømsende av brenneren, som har et første forbrenningsavsnitt. nær oppstrømsenden, et annet forbrenningsavsnitt aksialt nedstrøms i forhold til det første forbrenningsavsnitt og et utløpsavsnitt i nærheten av nedstrømsenden, en brennermantel som koaksialt omgir brenneren og fastlegger en ringformet passasje for strømning av innløpsluft fra brennerens ned-strømsende til dens oppstrømsende, idet luftstrømmen gir kon-veks jonskjøling av brenneren, organer ved brennerens oppstrøms-ende til innføring av brensel i det første forbrenningsavsnitt, første primærorganer til innføring av en første primærandel av innløpsluften i det første forbrenningsavsnitt for å frembringe en brennbar brensel/luft-blanding i dette, første kjøleorganer til innføring av en første kjøleandel av innløpsluften i det første forbrenningsavsnitt for å frembringe en hvirvlende strøm av første kjøleluft i dette avsnitt, idet denne kjøleluft skaf fer et ringformet kjøleskikt nær oppstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt og hovedsakelig blander seg med den første primærandel nedstrøms i det første forbrenningsavsnitt, andre primærorganer til innføring av en annen primærandel av innløps-luften i det annet forbrenningsavsnitt for å frembringe en brennbar brensel/luft-blanding i dette, andre kjøleorganer til innføring av en annen kjøleandel av innløpsluften i det annet forbrenningsavsnitt for å frembringe en hvirvlende strøm av annen kjøleluft i dette avsnitt, idet denne kjøleluft skaffer et ringformet kjøleskikt nær oppstrømsenden av det annet forbrenningsavsnitt og hovedsakelig blander seg med den annen primærandel nedstrøms i det annet forbrenningsavsnitt, og fortynningsorganer til innføring av en fortynningsandel av innløps-luf ten i utløpsavsnittet for å avkjøle avgassene fra brenneren.

De første primærorganer omfatter fortrinnsvis en flerhet av første primæråpninger i oppstrømsenden av brenneren og anordnet rundt brenselinnføringsorganet, mens de første kjøle-organer omfatter en flerhet av første kjøleåpninger ved opp-strømsenden av brenneren og anordnet som en ringformet rekke radialt utenfor de første primæråpninger. Videre omfatter de andre primærorganer fortrinnsvis en flerhet av radialt orienterte andre primæråpninger som er fordelt over omkretsen rundt brenneren nær nedstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt, mens de andre kjøleorganer omfatter en flerhet av aksialt orienterte andre kjøleåpninger som er fordelt over omkretsen rundt brenneren nær nedstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt. Fortynningsorganene omfatter fortrinnsvis en flerhet av radialt orienterte fortynningsåpninger som er fordelt over omkretsen rundt brenneren nær nedstrømsenden av det annet forbrenningsavsnitt .

I en første utførelsesform utgjør den første primærandel ca. 18% av innløpsluften, den første kjøleandel ca. 12% av innløpsluften, den annen primærandel ca. 18% av innløpsluften, den annen kjøleandel ca. 8% av innløpsluften og fortynningsandelen ca. 44% av innløpsluften.

På tegningen er der vist en utførelsesform som sammen med beskrivelsen tjener til å forklare prinsippene i oppfinnelsen. Fig. 1 er et lengdesnitt gjennom en utførelsesform for oppfinnelsen. Fig. 2 er et utsnitt i større målestokk av forbrenningsanordningen på fig. 1.

Som vist på fig. 1 omfatter forbrenningsanordningen 10 en brenner 12 som fastlegger en aksial fluidumstrømbane A mellom en oppstrømsende 14 og en nedstrømsende 16. Brenneren har et første forbrenningsavsnitt 18 nær oppstrømsenden 14, et annet forbrenningsavsnitt aksialt nedstrøms i forhold til det første forbrenningsavsnitt 18 og et utløpsavsnitt 22 i nærheten av nedstrømsenden 16.

En brennermantel 14 omgir brenneren 12 koaksialt og fastlegger en ringformet passasje 26 for strømning av innløpsluft som er illustrert ved piler 28, fra nedstrømsenden 16 til opp-strømsenden 14. Innløpsluftstrømmen 28 skaffer en konveksjons-kjøling av brenneren 12 ved at den strømmer langs brennerens ytre overflate. Innløpsluft 28 skaffes fra kompressoren (ikke vist) i gassturbinen og føres til den ringformede passasje 26 gjennom ikke viste ledninger.

Som vist på fig. 1 og 2 rager en brenseldyse 30 inn gjennom oppstrømsenden 14 av brenneren 12 for innsprøytning av brensel i det første forbrenningsavsnitt 18.

Som vist på tegningen utgjøres de første primærorganer av en flerhet av første primæråpninger 40 i oppstrømsenden 14 av brenneren 12 rundt brenseldysen 30. Ca. 18% av innløpsluften 28 som strømmer gjennom den ringformede passasje 26, kommer inn i det første forbrenningsavsnitt 18 gjennom de første primæråpninger 40 og blander seg med brensel som er sprøytet inn i det første forbrenningsavsnitt 18 gjennom brenseldysen 30. Forskjellige konstruktive trekk kan være innlemmet i det første forbrenningsavsnitt 18 ved brenseldysen 30 for å frembringe en hvirvlende og blandende bevegelse mellom innløpsluften og bren-selet.

De første kjøleorganer omfatter en flerhet av første kjøleåpninger 42 i oppstrømsenden 14 av brenneren 12. De første kjøleåpninger 42 er anordnet i en ringformet rekke radialt utenfor de første primæråpninger 40. Ca. 12% av den innløpsluft 28 som strømmer gjennom den ringformede passasje 26, kommer inn i det første forbrenningsavsnitt 18 gjennom de første kjøle-åpninger 42. De første kjøleåpninger 42 er slik anordnet at de frembringer en hvirvlende bevegelse av kjøleluft i oppstrøms-enden av det første forbrenningsavsnitt 18. Den hvirvlende bevegelse av kjøleluften frembringer et ringformet skikt av kjøleluft ved oppstrømsenden av avsnittet 18, og dette skikt blander seg deretter med primærluften nedstrøms i avsnittet 18. Det ringformede skikt av kjøleluft, som skaffer en filmkjøling, strekker seg ikke til nedstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt 18.

De andre primærorganer omfatter en flerhet av radialt orienterte andre primæråpninger 44 som er fordelt over omkretsen rundt brenneren 12 nær nedstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt 18. Ca. 18% av innløpsluften 28 kommer inn i det første forbrenningsavsnitt ;18 ved dettes nedstrømsende gjennom åpningene 44 og blander seg med forbrenningsgasser som kommer ut fra det første forbrenningsavsnitt 18 for å skaffe et annet forbrenningstrinn i det annet forbrenningsavsnitt 20.

Som vist på fig. 1 er der anordnet andre kjøleåpninger 46 som er aksialt orientert og åpner mot nedstrømsenden av brenneren 12. Åpningene er fordelt over omkretsen rundt brenneren ved nedstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt 18 og fører innløpsluft fra den ringformede passasje 26 til opp-strømsenden av det annet forbrenningsavsnitt 20. De andre kjøleåpninger 46 er innrettet til å føre ca. 8% av innløps-luften inn i det annet forbrenningskammer 20 i et hvirvlende mønster som danner et ringformet kjøleskikt ved oppstrømsenden av avsnittet 20, og som deretter blander seg med den annen primærandel. Det ringformede kjøleskikt strekker seg ikke til ned-strømsenden av det annet forbrenningsavsnitt 20.

Som vist på fig. 1 omfatter fortynningsorganene en flerhet av radialt orienterte fortynningsåpninger 48, som mottar ca. 44% av innløpsluften fra den ringformede passasje 26 og fører innløpsluften inn i utløpspartiet 22 av brenneren 12 for å redusere gjennomsnittstemperaturen av utløpsgassene før disse når selve turbinen.

Forbrenningsanordningen ifølge oppfinnelsen kan arbeide ved høye temperaturer med lave trykktap og jevn utløpstempera- tur. Når der benyttes lav lufthastighet (ca. 50 m/s) og totrinns forbrenning, mottar forenden av brenneren ca. 30% av innløpsluften, noe som skaffer et brensel/luft-forhold på

8,5 - 10 %, noe som ligger over det støkiometriske forhold og medfører en lav flammetemperatur. Denne lave flammetemperatur og totrinnsforbrenningen skaffer en lav varmeovergang til bren-nerveggen som, så avkjøles ved konveksjonskjøling fra den mot-satte strøm av innløpsluft. Den samlede konstruksjon skaffer en temperaturfordelingsfaktor på ca. 0,07 - 0,12. Temperaturforde-lingsfaktoren er definert som maksimaltemperaturen minus gjennomsnittstemperaturen dividert på gjennomsnittstemperaturen minus innløpstemperaturen.

Claims (8)

1. Forbrenningsanordning for gassturbiner, karakterisert ved at den omfatter: (a) en brenner (12) som fastlegger en aksial fluidumstrøm-bane (A) mellom en oppstrømsende (14) og en nedstrømsende (16) av brenneren, som har et første forbrenningsavsnitt (18) nær oppstrømsenden (14), et annet forbrenningsavsnitt (20) aksialt nedstrøms i forhold til det første forbrenningsavsnitt (18) og et utløpsavsnitt (22) i nærheten av nedstrømsenden (16), (b) en brennermantel (24) som koaksialt omgir brenneren (12) og fastlegger en ringformet passasje (26) for strømning av innløpsluft (28) fra brennerens nedstrømsende (16) til dens oppstrømsende (14), idet luftstrømmen (28) gir konveksjonskjø-ling av brenneren (12), (c) organer (30) ved brennerens oppstrømsende (14) til innføring av brensel i det første forbrenningsavsnitt (18), (d) første primærorganer (40) til innføring av ca. 18% av innløpsluften i det første forbrenningsavsnitt (18) for å frembringe en brennbar brensel/luft-blanding i dette, (e) første kjøleorganer (42) til innføring av ca. 12% av innløpsluften i det første forbrenningsavsnitt (18) for å frembringe en hvirvlende strøm av første kjøleluft i dette avsnitt, idet denne kjøleluft hovedsakelig blander seg med innløpsluft fra de første primærorganer (40) etter å ha avkjølt oppstrøms-enden av det første forbrenningsavsnitt (18), (f) andre primærorganer (44) til innføring av ca. 18% av luften i det annet forbrenningsavsnitt (20) for å frembringe en brennbar brensel/luft-blanding i dette, (g) andre kjøleorganer (46) til innføring av ca. 8% av innløpsluften i det annet forbrenningsavsnitt (20) for å frembringe en hvirvlende strøm av annen kjøleluft i dette avsnitt, idet denne kjøleluft hovedsakelig blander seg med innløpsluft fra de andre primærorganer (44) etter å ha avkjølt oppstrøms-enden av det annet forbrenningsavsnitt (20), og (h) fortynningsorganer (48) til innføring av ca. 44% av innløpsluften i utløpsavsnittet (22) for å avkjøle avgassene fra brenneren.

2. Forbrenningsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de første primærorganer omfatter en flerhet av første primæråpninger (40) som er anordnet i oppstrømsenden av brenneren og rundt brenselinnføringsorganene, og som tilfører innløpsluft fra den ringformede passasje (26) til det første forbrenningsavsnitt (18).

3. Forbrenningsanordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at de første kjøleorganer omfatter en flerhet av første kjøleåpninger (42) i oppstrømsenden av brenneren (12) og anordnet i en ringformet rekke radialt utenfor de første primæråpninger (40).

4. Forbrenningsanordning som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at de andre primærorganer omfatter en flerhet av radialt orienterte andre primæråpninger (44) som er fordelt over omkretsen rundt brenneren (12) ved nedstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt (18) og tilfører innløpsluft fra den ringformede passasje (26) til oppstrømsenden av det annet forbrenningsavsnitt (20).

5. Forbrenningsanordning som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at de andre kjøle-organer omfatter en flerhet av aksialt orienterte andre kjøle-åpninger (46) som er fordelt over omkretsen rundt brenneren (12) ved nedstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt (18) og tilfører innløpsluft fra den ringformede passasje (26) til oppstrømsenden av det annet forbrenningsavsnitt (20), idet hver av de andre kjøleåpninger (46) har et innløp som er rettet mot oppstrømsenden av brenneren (12).

6. Forbrenningsanordning som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at fortynningsorganene omfatter en flerhet av radialt orienterte fortynningsåpninger (48) som er fordelt over omkretsen rundt brenneren (12) ved nedstrømsenden av det annet forbrenningsavsnitt (20) og tilfører innløpsluft fra den ringformede passasje (26) til utløpsavsnittet (22).

7. Forbrenningsanordning for gassturbiner, karakterisert ved at den omfatter: (a) en brenner (12) som fastlegger en aksial fluidumstrøm-bane (A) mellom en oppstrømsende (14) og en nedstrømsende (16) av brenneren, som har et første forbrenningsavsnitt (18) nær oppstrømsenden, et annet forbrenningsavsnitt (20) aksialt ned-strøms i forhold til det første forbrenningsavsnitt (18) og et utløpsavsnitt (22) ved nedstrømsenden (16), (b) en brennermantel (24) som koaksialt omgir brenneren (12) og fastlegger en ringformet passasje (26) for strømning av innløpsluft (28) fra brennerens nedstrømsende (16) til dens oppstrømsende (14), idet luftstrømmen (28) gir konveksjonskjø-ling av brenneren (12), (c) organer (30) ved brennerens oppstrømsende (14) til innføring av brensel i det første forbrenningsavsnitt (18), (d) første primærorganer (40) til innføring av en første primærandel av innløpsluften i det første forbrenningsavsnitt (18) for å frembringe en brennbar brensel/luft-blanding i dette, (e) første kjøleorganer (42) til innføring av en første kjøleandel av innløpsluften i det første forbrenningsavsnitt (18) for å frembringe en hvirvlende strøm av første kjøleluft i dette avsnitt, idet denne kjøleluft skaffer et ringformet kjøleskikt nær oppstrømsenden av det første forbrenningsavsnitt (18), hvilket kjøleskikt hovedsakelig blander seg med den første primærandel nedstrøms i det første forbrenningsavsnitt (18), (f) andre primærorganer (44) til innføring av en annen primærandel av innløpsluften i det annet forbrenningsavsnitt (20) for å frembringe en brennbar brensel/luft-blanding i dette, (g) andre kjøleorganer (46) til innføring av en annen kjøleandel av innløpsluften i det annet forbrenningsavsnitt (20) for å frembringe en hvirvlende strøm av annen kjøleluft i dette avsnitt, idet denne kjøleluft skaffer et ringformet kjøleskikt ved oppstrømsenden av det annet forbrenningsavsnitt (20), hvilket kjøleskikt hovedsakelig blander seg med den annen primærandel nedstrøms i det annet forbrenningsavsnitt (20), og (h) fortynningsorganer (48) til innføring av en fortynningsandel av innløpsluften i utløpsavsnittet (22) for å avkjøle avgassene fra brenneren.

8. Forbrenningsanordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at den første primærandel utgjør ca.

18% av innløpsluften, den første kjøleandel utgjør ca. 12% av innløpsluften, den annen primærandel utgjør ca. 18% av innløps-luften, den annen kjøleandel utgjør ca. 8% av innløpsluften og fortynningsandelen utgjør ca. 44% av innløpsluften.