WO1996027764A1

WO1996027764A1 - Verfahren zur verbrennung eines brennstoffs in einer gasturbine sowie entsprechende gasturbine

Info

Publication number: WO1996027764A1
Application number: PCT/DE1996/000386
Authority: WO
Inventors: Manfred Ziegner
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 1996-09-12
Also published as: EP0813668A1; JPH11501380A; DE19507763A1; DE59607363D1; EP0813668B1; US6003297A; ES2160804T3; JP3939753B2; IN187803B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs (5) in einem Strom (4) verdichteter Luft, welcher eine Gasturbine (1) von einem Verdichterteil (2) zu einem Turbinenteil (3) durchströmt, wobei der Brennstoff (5) zwischen dem Verdichterteil (2) und dem Turbinenteil (3) verbrannt wird, sowie eine entsprechende Gasturbine. Der Brennstoff (5) wird dem Strom (4) im Verdichterteil (2) zugeführt. Ein Ringkanal (16) zur Führung des Stroms (4) sowie Düsen (6) zur Zuführung des Brennstoffs (5) in den Verdichterteil (2) sind vorgesehen. Dem Strom (4) ist beim Austritt aus dem Verdichterteil (2) ein erster Drall (7) aufgeprägt, welcher durch die Verbrennung des Brennstoffs (4) in einen zweiten Drall (8) transformiert wird. Dieser entspricht einem Nenn-Drall, mit welchem der Strom (4) dem Turbinenteil (3) zugeführt werden muss.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs in einer Gastur¬ bine sowie entsprechende Gasturbine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft, welcher eine Gasturbine von einem Verdichterteil zu einem Turbinenteil durchströmt, wobei der Brennstoff dem Strom im Verdichterteil zugeführt und zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinen¬ teil verbrannt wird. Die Erfindung betrifft auch eine ent¬ sprechende Gasturbine.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Gasturbine gehen hervor aus dem US-Patent 2,630,678.

Eine Gasturbine mit einem Verdichterteil, einer Ringbrennkam¬ mer und einem Turbinenteil, wobei der Verdichterteil einen Strom verdichteter Luft liefert, der in der Ringbrennkammer mit Brennstoff versetzt wird, worauf anschließend der Brenn¬ stoff entzündet und verbrannt wird, und wobei der Strom nach erfolgter Verbrennung dem Turbinenteil zugeführt wird, geht hervor aus der EP 0 590 297 AI. In dieser Schrift wird die Gasturbine als "Gas urbogruppe", der Verdichterteil als "Ver- dichter" und der Turbinenteil als "Turbine" bezeichnet. Die unterschiedliche Bezeichnungsweise ist zurückzuführen auf ei¬ ne uneinheitliche Verwendung des Begriffs "Gasturbine" in der Fachwelt. Als "Gasturbine" kann sowohl eine Turbine im ei¬ gentlichen Sinne, also eine Kraftmaschine, die aus einem Strom erhitzten Gases mechanische Energie extrahiert, als auch eine Einheit aus einer Turbine im eigentlichen Sinne nebst Brennkammer oder Brennkammern und Verdichterteil be¬ zeichnet werden. In vorliegendem Zusammenhang wird unter ei¬ ner "Gasturbine" stets eine Einheit verstanden, die neben ei- ner Turbine im eigentlichen Sinne, vorliegend stets als

"Turbinenteil" bezeichnet, zumindest noch einen zugehörigen Verdichterteil umfaßt. Beispiele für Brenner, die in einer Gasturbine einsetzbar sind, sind der EP 0 193 838 Bl, dem US-Patent Re. 33896, der EP 0 276 696 Bl und dem US-Patent 5,062,792 entnehmbar. Eine Brennkammer in Form einer Ringbrennkammer mit einer Vielzahl von kreisringförmig angeordneten Brennern ist in der EP 0 489 193 AI beschrieben.

Weitere Hinweise zur Ausgestaltung einer zwischen einem Ver- dichterteil und einem Turbinenteil einer Gasturbine anzuord¬ nenden Verbrennungseinrichtung gehen hervor aus den US-Paten¬ ten 2,755,623; 3,019,606; 3,701,255 und 5,207,064. Diese Hin¬ weise umfassen Ausführungen zur Realisierung von Verbren¬ nungseinrichtungen, in denen ein Strom verdichteter Luft mit einem Drall geführt wird, wobei gegebenenfalls auch die Ver¬ brennung in diesem drallbehafteten Strom stattfindet. Auch sind diesen Dokumenten Hinweise zu Komponenten entnehmbar, insbesondere zu Flammenhaltern, die einen Verbrennungsprozeß stabilisieren sollen.

Eine wichtige Quelle für thermodynamische Verluste ist der zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil, also über demjenigen Bereich der Gasturbine, wo der Strom verdichteter Luft durch Verbrennung eines Brennstoffs erhitzt wird, auf- tretende Druckverlust, der bedingt ist durch den bislang stets betriebenen hohen baulichen Aufwand zur Realisierung einer Verbrennungseinrichtung in Form einer oder mehrerer Brennkammern. Gewisse Ansätze zur Verringerung des Aufwands sind bekannt; insbesondere geht aus der bereits erwähnten EP 0 590 297 AI eine sogenannte "Ringbrennkammer" hervor, in der der Strom einen Drall, der ihm in dem Verdichterteil auf¬ geprägt wird, während der Verbrennung des Brennstoffs beibe¬ halten soll, so daß sich am Einlaß des Turbinenteils ein her¬ kömmlicher feststehender Schaufelkranz, mit dem ein zum Be- trieb des Turbinenteils erforderlicher Drall erst aufgebaut werden müßte, erübrigt. Auch wird verwiesen auf das eingangs genannte US-Patent 2,630,678, nach dem die Zuführung von Brennstoff bereits im Verdichterteil erfolgen kann.

Die Steigerung der spezifischen Leistung, das heißt der von der Gasturbine abgegebenen Leistung pro Einheit an mit dem Brennstoff zugeführter Energie, erfordert neben den bereits erwähnten Maßnahmen zur Verbesserung des in der Gasturbine ablaufenden thermodynamisehen Prozesses eine Steigerung der Turbineneintrittstemperatur, das heißt der Temperatur des Stroms nach Verbrennung des Brennstoffs und beim Eintritt in den Turbinenteil. Diese Turbineneintrittstemperatur ist be¬ grenzt durch die Belastbarkeit der Komponenten des Turbinen¬ teils, die gegeben ist insbesondere durch die Belastbarkeit der verwendeten Werkstoffe und die eventuell vorgesehenen Maßnahmen zur Kühlung der Komponenten. Solche Maßnahmen fin¬ den üblicherweise ihre Grenze darin, daß für die Kühlung not¬ wendige Luft aus dem Strom abgezapft werden muß und nicht mehr für die Verbrennung zur Verfügung steht. Ebenfalls von Bedeutung ist die Verteilung der Temperatur in dem Strom beim Eintritt in den Turbinenteil. Ist die Verteilung der Tempera¬ tur in dem Strom beim Eintritt in den Turbinenteil nicht gleichmäßig, womit bei jeder bisher realisierten Turbine zu rechnen ist, so bestimmt das Maximum der Temperatur in dem Strom die maximale Belastung der Komponenten des Turbinen- teils und muß für dessen sicheren Betrieb somit unterhalb ei¬ ner kritischen Grenze gehalten werden, wohingegen der Mittel¬ wert der Temperatur in dem Strom maßgeblich ist für die Qua¬ lität des thermodynamisehen Prozesses und insbesondere für diejenige mechanische Leistung, die der thermodynamisehe Pro- zeß bei gegebenem Primärenergieeinsatz liefern kann. Aus die¬ sen Erwägungen folgt, daß die spezifische Leistung einer Gas¬ turbine ohne Beeinträchtigung ihrer Lebensdauer gesteigert werden kann, wenn es gelingt, die Verteilung der Temperatur in dem Strom beim Eintritt in den Turbinenteil zu homogeni- sieren und somit den Mittelwert der Temperatur an das Maximum der Temperatur heranzuführen. Nach erfolgter Homogenisierung kann durch Steigerung des Primärenergieeinsatzes der Mittel- wert der Temperatur des Stroms erhöht werden, bis die vorge¬ gebene Belastbarkeit des Turbinenteils erreicht is . Das Po¬ tential solcher Maßnahmen ist erheblich; eine Anhebung des Mittelwerts der Temperatur in dem Strom beim Eintritt in den Turbinenteil um etwa 10 °C kann eine Steigerung der spezifi¬ schen Leistung von mehr als 1 % erbringen. Herkömmliche Gas¬ turbinen sind für solche Maßnahmen durchaus offen, denn die Differenz zwischen dem Maximum und dem Mittelwert der Vertei¬ lung der Temperatur im Luftstrom beim Eintritt in einen Tur- binenteil liegt bei diesen Gasturbinen bei bis zu 100 °C.

Die Ursache für die inhomogene Verteilung der Temperatur in einem Strom in einer herkömmlichen Gasturbine liegt üblicher¬ weise in der aufwendigen und inhärent inhomogenen Behandlung des Stroms und des Brennstoffs zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil. In besonderem Maße gilt dies dann, wenn der Strom in Teilströme unterteilt und mehreren Brennkammern oder mehreren einzelnen Brennern zugeführt wird; dies gilt auch in herkömmlichen Ringbrennkammern, die jeweils auf eine Unterteilung des Stroms weitgehend verzichten, aber immer noch mehrere und notwendigerweise voneinander beabstandete Brenner vorsehen, die den Strom erhitzen sollen.

Des weiteren ist zu berücksichtigen, daß in jedweder herkömm- liehen Gasturbine der Strom verdichteter Luft zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil, also dort, wo er durch Verbrennung eines Brennstoffs erhitzt wird, ohne einen Drall geführt wird. Der wesentliche Grund dafür liegt darin, daß mit einer solchen Maßnahme die Geschwindigkeit des Stroms auf ein Minimum gebracht werden kann. Damit ist eine stabile

Verbrennung des Brennstoffs am leichtesten zu gewährleisten, und die Flexibilität für die Ausführung von Brennern und dergleichen ist am höchsten. Die herkömmliche Praxis erfordert allerdings, daß am Ende des Verdichterteils Leiteinrichtungen vorgesehen sind, die dem Strom einen hinter der letzten rotierenden Verdichterstufe vorhandenen Drall entziehen, und auch der Turbinenteil muß an seinem Eintritt eine Leiteinrichtung aufweisen, die dem Strom einen zur Beaufschlagung der ersten rotierenden Turbinenstufe erforderlichen Drall verleiht. Insbesondere die Leiteinrichtung in dem Turbinenteil ist das thermisch am höchsten belastete Bauteil und muß entsprechend aufwendig ausgeführt werden; außerdem erfolgt bereits in dieser Leiteinrichtung eine teilweise Entspannung, und somit Temperaturabsenkung, des Rauchgases in dem Strom. Dementsprechend bestimmt nicht die erste rotierende Turbinenstufe die maximal mögliche Temperatur des Stroms, sondern die Leiteinrichtung am Eintritt des Turbinenteils, die allerdings dem Strom keine Energie extrahiert.

Die in den letzten beiden Absätzen vorgestellten Erwägungen sind von besonderer Bedeutung für moderne Gasturbinen, die stets dadurch gekennzeichnet sind, daß sie die durch die ver¬ wendeten Werkstoffe vorgegebenen Grenzen weitgehend ausschöp¬ fen. Dies vor allem, um größtmögliche thermodynamische Wirkungsgrade zu erzielen. Gasturbinen für stationären Einsatz, welche Leistungen zwischen 100 MW und 150 MW aufweisen, haben Verdichterteile, welche gekennzeichnet sind durch Druckverhältnisse zwischen 16 und 30, entsprechend Temperaturen zwischen 400 °C und 55 °C am jeweiligen Verdichteraustritt, und stellen durch Verbrennung erhitztes Rauchgas bereit mit Temperaturen zwischen 1100 °C und 1400 °C. Alle genannten Temperaturen erfordern zur Auslegung der Verbrennungseinrichtungen und der Turbinenteile größtmögliche Sorgfalt und die weitgehende Ausschöpfung der durch die verwendeten Werkstoffe vorgegebenen Grenzen. Insbesondere sind auch die für Verdichteraustritte genannten Temperaturen als kritisch zu betrachten im Hinblick auf eine mögliche Selbstentzündung von zugeführtem Brennstoff.

Angesichts dieser Problematik beruht die Erfindung auf der Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Gasturbine der eingangs ge¬ nannten Art anzugeben, welche die Verbrennung des Brennstoffs in dem Strom unter Gewährleistung einer möglichst gleichmäßi- gen Verteilung der Temperatur in dem Strom und unter Vermei¬ dung von Verlusten ermöglichen.

Im Hinblick auf ein Verfahren wird zur Lösung dieser Aufgabe angegeben ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes in einem Strom verdichteter Luft, welcher eine Gasturbine von einem Verdichterteil zu einem Turbinenteil durchströmt, wobei der Brennstoff dem Strom im Verdichterteil zugeführt und zwi¬ schen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil verbrannt wird, wobei dem Strom beim Austreten aus dem Verdichterteil ein er¬ ster Drall aufgeprägt ist, welcher durch die Verbrennung des Brennstoffs in einen zweiten Drall transformiert wird, der einem Nenn-Drall entspricht, mit welchem der Strom dem Turbi¬ nenteil zugeführt werden muß.

Dem Strom ist beim Austreten aus dem Verdichterteil ein er¬ ster Drall aufgeprägt, welcher durch die Verbrennung des Brennstoffs in dem Strom in einen zweiten Drall transformiert wird, der einem Nenn-Drall entspricht, für den der Turbinen- teil ausgelegt ist. Zum Verständnis dieses Merkmals ist zu¬ nächst zu bemerken, daß ein eventueller Drall des Stroms durch eine Erhitzung, wie sie insbesondere bei der Verbren¬ nung des Brennstoffs erfolgt, verändert, nämlich verringert, wird. Die Erhitzung bewirkt nämlich eine Erhöhung der Ge- schwindigkeit, mit der sich der Strom fortpflanzt, wobei sich allerdings nur eine Komponente der Geschwindigkeit in Fort- pflanzungsrichtung des Stroms vergrößert. Die den Drall dar¬ stellende Komponente der Geschwindigkeit senkrecht zur Fort- pflanzungsrichtung kann durch die Erhitzung des Stroms natur- gemäß nicht verändert werden. Aus diesem Grund sind unter Um¬ ständen gewisse Anpassungsmaßnahmen erforderlich, um den er¬ sten Drall, mit dem der Strom aus dem Verdichterteil aus¬ tritt, so einzustellen, daß der zweite Drall, den der Strom beim Eintritt in den Turbinenteil hat, bei einem durch die Geometrie des Turbinenteils vorgegebenen Wert, hier "Nenn- Drall" genannt, liegt. Wünschenswert ist es selbstverständ¬ lich, eine solche Einstellung nicht nur für einen Vollastbe- trieb der Gasturbine sichergestellt zu wissen, sondern auch für Betriebszustände, bei denen eine geringere Leistung als die bei Vollast erzeugte Leistung entwickelt wird. Bevorzugt ist daher eine Möglichkeit vorgesehen, den ersten Drall, das heißt den Drall, mit dem der Strom aus dem Verdichterteil austritt, in Abhängigkeit von einer thermischen Leistung, mit der durch die Verbrennung Wärme erzeugt wird, zu regeln. Es versteht sich, daß eine Regelung in Abhängigkeit von der thermischen Leistung im Ergebnis auch eine Regelung in Abhän- gigkeit von einer von der Gasturbine abgegebenen mechanischen Leistung ist.

Im Sinne der Erfindung werden besondere Brenner, die gemäß herkömmlicher Praxis zwischen dem Verdichterteil und dem Tur- binenteil angeordnet sind, vermieden, und es wird ein einzi¬ ger Brenner realisiert, der sich über den gesamten Quer¬ schnitt des Stroms zwischen dem Verdichterteil und dem Tur¬ binenteil erstreckt. Da eine Gasturbine üblicherweise bezüg¬ lich einer Längsachse rotationssymmetrisch ist, ist in der Regel auch der im Sinne der Erfindung realisierte Brenner ro¬ tationssymmetrisch um die Längsachse. Dieser Brenner wird realisiert, indem der Austritt des Verdichterteils selbst als Brenner ausgebildet wird; vom Einsatz einer herkömmlichen Brennkammer oder einer Anordnung mit mehreren herkömmlichen Brennkammern sowie vom Einsatz besonderer und voneinander be- abstandeter Brenner wird abgesehen.

Man kann die erfindungsgemäß realisierte Anordnung, bei der der Austritt des Verdichterteiis selbst als Brenner fungiert, somit als "integrierten Vormisch-Flächenbrenner" bezeichnen, da eine Verbrennung über die gesamte Querschnittsfläche des Stroms realisiert wird und die Komponenten des Brenners in den Verdichterteil integriert sind; aufgrund der Zuführung des Brennstoffs in den Verdichterteil ergibt sich eine Vor- ischung des Brennstoffs mit der Luft von selbst. Durch die Vormischung wird die Bildung einer gleichmäßigen Verteilung der Temperatur während und nach der Verbrennung sicherge- stellt, wobei aufgrund des Wegfalls ausgeprägter Temperatur- maxima auch der Entstehung von Stickoxid vorgebeugt wird.

Bevorzugtermaßen wird für eine intensive Vermischung des Brennstoffs mit dem Strom Sorge getragen, bevor es zu einer Entzündung und Verbrennung des Brennstoffs kommt.

Zur Entzündung des Brennstoffs in dem Strom sind vorzugsweise besondere, in den Strom gerichtete Pilotflammen in angemesse- ner Anzahl vorgesehen; solche Pilotflammen können mit kleinen Brennern gebildet werden, die in Richtung des Stroms, gleich ob dieser sich mit einem Drall oder einen Drall bewegt, ge¬ richtet sind. Sie bewirken eine lokale Aufheizung und Entzün¬ dung des Brennstoff-Luft-Gemisches, die sich schnell über den gesamten Strom ausbreiten kann.

Weiterhin bevorzugt ist es, daß der Strom nach der Vermi¬ schung mit dem Brennstoff verzögert wird. Eine derartige Ver¬ zögerung, die insbesondere in einem als Diffusor ausgebilde- ten Ringkanal zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinen¬ teil erfolgen kann, kann eine für eine stabile Verbrennung günstige Geschwindigkeit des Stroms einstellen. Gegebenen¬ falls kann diese Verzögerung auch in einem besonderen fest¬ stehenden Schauf lkranz erfolgen; an einem solchen Schaufel- kränz können gegebenenfalls auch Einrichtungen zur Stabili¬ sierung der Verbrennung angebracht sein.

Das Verfahren findet vorzugsweise Anwendung unter Benutzung eines Brennstoffs in Form eines brennbaren Gases, insbeson- dere Erdgas oder Kohlegas, wobei unter Kohlegas jedwedes brennbare gasförmige Produkt eines Kohlevergasungsprozesses zu verstehen ist.

Im Hinblick auf eine Gasturbine wird zur Lösung der gestell- ten Aufgabe angegeben eine Gasturbine zur Verbrennung eines Brennstoffes in einem Strom verdichteter Luft, welcher von einem Verdichterteil zu einem Turbinenteil strömt, mit einem Ringkanal zur Führung des Stromes sowie Düsen zur Zuführung des Brennstoffs zu dem Strom in dem Verdichterteil, bei wel¬ cher Gasturbine der Verdichterteil so ausgelegt ist, daß der Strom ihn mit einem ersten Drall verläßt, welcher erste Drall durch die Verbrennung des Brennstoffes in einen zweiten Drall transformiert wird, und bei welcher Gasturbine der Turbinen¬ teil so ausgelegt ist, daß ihn der Strom mit dem zweiten Drall anströmen muß.

Spezifische Vorteile und Wirkungen dieser Gasturbine er¬ schließen sich aus den Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren, so daß sich an dieser Stelle entsprechende Ausfüh¬ rungen erübrigen.

Die Düsen sind vorzugsweise auf einem Leitrad in dem Verdich¬ terteil angebracht und können insbesondere in feststehende Leitschaufeln, die wesentliche Bestandteile des Leitrades sind, integriert sein. Bevorzugtermaßen sind die Düsen in hohlen Leitschaufeln des Leitrades angebracht. Das Leitrad mit den Düsen ist insbesondere das vorletzte ödere letzte, von dem Strom zu umströmende Leitrad, im Zusammenhang mit einer nachfolgend beschriebenen bevorzugten Weiterbildung, das vorletzte Leitrad. Eine solche Plazierung der Düsen gewährleistet bei gleichmäßiger Verteilung des Brennstoffes in dem Strom eine hohe Sicherheit gegen vorzeitige Entzündung des Brennstoffes, wie sie in Anbetracht der in einer modernenen Gasturbine am Verdichteraustritt herrschenden Temperatur wünschenswert ist.

Weiterhin bevorzugt umfaßt der Verdichterteil ein letztes Leitrad, welches von dem Strom beim Austreten aus dem Ver¬ dichterteil durchströmt wird, und welches zur Variation des ersten Dralls, mit dem der Strom hinter dem letzten Leitrad strömt, verstellbar ist. Verstellbare Leiträder für Verdich- terteile sind grundsätzlich bekannt, finden gemäß bisheriger

Praxis allerdings ausschließlich Anwendung am Eintritt eines Verdichterteils und dienen der Einstellung des Einlaßquer- Schnitts, durch den Luft angesaugt wird. In diesem Rahmen dient das verstellbare Leitrad insbesondere zur Einstellung der Leistung, die von der Gasturbine abgegeben werden soll. Mit einem verstellbaren letzten Leitrad am Austrittsende ei- nes Verdichterteils kann der Drall, mit dem der Strom den Verdichterteil verläßt, eingestellt werden, und dies insbe¬ sondere in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Gasturbine. Es ist dadurch möglich, den Drall des Stroms für jeden denk¬ baren Betriebszustand den Anforderungen, die der Turbinenteil an den Drall des Stroms stellt, anzupassen. Einzelheiten hierzu sind bereits erläutert worden.

Zur Stabilisierung der Verbrennung ist zwischen dem Verdich¬ terteil und dem Turbinenteil vorzugsweise ein Flammenhalter angeordnet. Ein solcher Flammenhalter ist beispielsweise als Strömungshindernis ausgebildet und bewirkt, daß sich in dem Strom unmittelbar im Anschluß an den Flammenhalter ein Wir¬ bel- oder Rückströmgebiet ausbildet. Ein solches Wirbelgebiet ist geeignet zur Ausbildung einer weitgehend ortsfesten Flam- me, was zur Gewährleistung einer stabilen und vollständigen Verbrennung von Bedeutung sein kann.

Ebenfalls bevorzugt ist der Ringkanal zwischen dem Verdich¬ terteil und dem Turbinenteil nach Art eines Diffusors erwei- tert. Diese Erweiterung muß nicht unbedingt gleichmäßig er¬ folgen, sondern kann gegebenenfalls mehr oder weniger sprung¬ haft sein. Solches führt zur Ausbildung einer Front in dem Strom, an der er sich deutlich verlangsamt und an der sich eine stabile Flamme bilden und erhalten kann; so kann der Diffusor als Flammenhalter wirken.

Weiterhin bevorzugt ist der Ringkanal zwischen dem Verdich¬ terteil und dem Turbinenteil mit keramischen Hitzeschildele¬ menten ausgekleidet, welche die von der Verbrennung ausge- hende thermische Belastung bei geringem Kühlbedarf aufnehmen. Die Gasturbine hat darüber hinaus bevorzugtermaßen einen Turbinenteil, in dem der Strom unmittelbar einem Laufrad zugeführt wird. Dies impliziert, daß der Strom in dem Ringkanal mit einem Drall geführt wird und daß die Verbrennung in diesem Strom stattfindet.

In diesem Zusammenhang ist der Turbinenteil besonders einfach gestaltet, da er an seinem Einlaß keines Leitrades bedarf, mit dem ein zum Betrieb der rotierenden Laufräder des Turbi- nenteils erforderlicher Drall erst aufgebaut werden müßte.

Ein derartiges Leitrad am Eintritt des Turbinenteils ist näm¬ lich eine der thermisch am höchsten belasteten Komponenten der Gasturbine mit einem entsprechend hohen Kühlbedarf, der herkömmlicherweise auf Kosten der zur Verbrennung bereitste- henden Luft gedeckt werden muß, sowie mit entsprechenden An¬ forderungen an den zur Herstellung zu verwendenden Werkstoff. In Anwendung der Erfindung kann daher eine besonders wirt- schaftliche Gasturbine realisiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung geht aus der Zeichnung hervor. Zur Herausstellung spezifischer Merkmale ist die Zeichnung teilweise schematisiert und/oder verzerrt ausge¬ führt. Es wird nicht geltend gemacht, daß die Zeichnung ein formgetreues Abbild einer real ausführbaren Gasturbine sei. Zur Ergänzung der aus der Zeichnung und ihrer zugehörigen Be¬ schreibung erkennbaren Hinweise wird auf die zitierten Doku¬ mente des Standes der Technik sowie das allgemeine Fachwissen des einschlägig tätigen Durchschnittsfachmanns verwiesen.

Die Figur zeigt eine Gasturbine 1 mit einem Verdichterteil 2 und einem Turbinenteil 3. Der Verdichterteil 2, der nur teil¬ weise dargestellt ist, saugt aus der Umgebung der Gasturbine

1 Luft an, komprimiert sie und stellt sie als Strom 4 ver¬ dichteter Luft bereit . Dieser Strom 4 wird im Verdichterteil 2 mit Brennstoff 5 versetzt, wobei dieser Brennstoff 5 durch

Düsen 6 zugeführt wird. Beim Austritt aus dem Verdichterteil

2 weist der Strom 4 einen ersten Drall 7 auf, das heißt eine Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht zu der Richtung, in der der Strom 4 sich fortpflanzt, gerichtet ist. Dieser erste Drall 7 verändert sich unter Umständen, bis der Strom 4 den Turbinenteil 3 erreicht, wobei sich am Eintritt des Turbinen- teils 3 ein zweiter Drall 8 einstellt. Die Veränderung ist wesentlich bedingt durch die Verbrennung des Brennstoffs 5, die initiiert wird durch Pilotflammen 9, die zwischen dem Verdichterteil 2 und dem Turbinenteil 3 iji den Strom 4 hin¬ einragen. Die Pilotflammen 9 bilden sich an Brennstoff, der durch entsprechende Düsen 10 zugestellt wird. In der Regel wird es eine Mehrzahl oder Vielzahl von Pilotflammen 9 geben; der Übersicht halber ist nur eine der Pilotflammen 9 darge¬ stellt. Am Eintritt des Turbinenteils 3 befindet sich nicht ein feststehendes Leitrad gemäß herkömmlicher Praxis, sondern unmittelbar ein Laufrad 11. Durch entsprechende Einstellung des zweiten Dralls 8 kann nämlich auf ein Leitrad am Eintritt des Turbinenteils 3 verzichtet werden.

Die Zustellung des Brennstoffs 5 zu dem Strom 4 erfolgt durch die erwähnten Düsen 6, die sich an einem vorletzten Leitrad

12 des Verdichterteils 2 befinden. Die Düsen 6 sind insbeson¬ dere Mündungen von Kanälen in entsprechenden hohlen Leit¬ schaufeln, die gemeinsam und ringförmig angeordnet das vor¬ letzte Leitrad 12 bilden. Am Austritt des Verdichterteils 2 angeordnet ist ein letztes Leitrad 13, welches aus Leitschau¬ feln gebildet ist, die mit entsprechenden Verstelleinrichtun- gen 14 verstellbar sind. Damit kann je nach Betriebszustand der Gasturbine 1 der erste Drall 7 und damit der zweite Drall 8 eingestellt und insbesondere den Erfordernissen des Turbi- nenteils 3 angepaßt werden. Je nach Auslegung der Gasturbine 1 kann eventuell von einem Leitrad 12 am Austritt des Ver¬ dichterteils 2 abgesehen werden.

Um die Verbrennung des Brennstoffs 5 in dem Strom 4 zu stabi- lisieren, sind zwischen dem Verdichterteil 2 und dem Turbi¬ nenteil 3 Flammenhalter 15 vorgesehen. Auf die konkrete Aus¬ führungsform dieser Flammenhalter 15 kommt es weniger an, zu- mal Flammenhalter in vielerlei Art im Stand der Technik be¬ kannt sind und vorliegend Einsatz finden können. Im darge¬ stellten Ausführungsbeispiel ist der Flammenhalter 15 zum Beispiel ein fest verankerter Stab, der in einen Ringkanal 16, durch den sich der Strom 4 vom Verdichterteil 2 zum Tur¬ binenteil 3 fortsetzt, hineinragt. Wichtig ist, daß sich hin¬ ter dem Flammenhalter 15 ein Wirbel ausbildet, an dem sich eine Flamme stabilisieren kann. Diese Funktion kann nicht nur von Stäben, sondern auch von anders gestalteten Bauelementen wahrgenommen werden.

Die Zuführung des Brennstoffs 5 zu den Düsen 6 und 10 erfolgt über entsprechende Brennstoffleitungen 17 und Brennstoffpum¬ pen 18 aus einem Brennstoffvorrat 19. Der Brennstoffvorrat 19 kann irgendein Speicher sein, es ist aber auch denkbar, daß der Brennstoffvorrat 19 ein öffentliches Versorgungsnetz, insbesondere für gasförmigen Brennstoff wie Erdgas, ist. Auch denkbar ist, daß der Brennstoffvorrat 19 zu einer Anlage ge¬ hört, in der Kohle vergast und ein brennbares Vergasungspro- dukt, nämlich Kohlegas, gewonnen wird, welches als Brennstoff der Gasturbine 1 dienen kann.

Zum Schutz gegen übermäßige thermische Belastung sind die den Ringkanal 16 bildenden Strukturen der Gasturbine 1 geschützt durch einen Hitzeschild, der beispielsweise gebildet wird mit keramischen Hitzeschildelementen 20. Derartige Hitzeschilde sind in vielerlei Arten im einschlägigen Stand der Technik bekannt, so daß an dieser Stelle weitere Ausführungen ent¬ behrlich sind.

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine sowie ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft, welcher eine Gasturbine von einem Verdichterteil zu ei¬ nem Turbinenteil durchströmt, wobei der Brennstoff zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil verbrannt wird, wobei der Brennstoff dem Strom im Verdichterteil zugeführt wird. Die Erfindung ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung des Aufbaus einer Gasturbine und bringt durch die Vermeidung von Druckverlusten und Reibungsverlusten auch wesentliche Vor¬ teile im Hinblick auf die Thermodynamik des in der Gasturbine stattfindenden Energieumwandlungsprozesses mit sich.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes (5) in einem Strom (4) verdichteter Luft, welcher eine Gasturbine (1) von einem Verdichterteil (2) zu einem Turbinenteil (3) durch¬ strömt, wobei der Brennstoff (5) dem Strom (4) im Verdichter¬ teil (2) zugeführt und zwischen dem Verdichterteil (2) und dem Turbinenteil (3) verbrannt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Strom (4) beim Austreten aus dem Verdichterteil (2) ein erster

Drall (7) aufgeprägt ist, welcher durch die Verbrennung des Brennstoffes (5) in einen zweiten Drall (8) transformiert wird, der einem Nenn-Drall entspricht, mit welchem der Strom (4) dem Turbinenteil (3) zugeführt werden muß.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoff (5) mit dem Strom (4) intensiv vermischt wird, bevor er verbrannt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Brennstoff (5) in dem Strom (4) an zusätzlich in den Strom (4) gerichteten Pilotflammen (9) entzündet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Strom (4) nach der Vermischung mit dem Brennstoff (5) verzögert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Drall (7) in Abhängigkeit von einer thermischen Leistung, mit der durch die Verbrennung Wärme erzeugt wird, geregelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Brennstoff (5) ein brennbares Gas, insbesondere Erdgas oder Kohlegas, ist.

7. Gasturbine zur Verbrennung eines Brennstoffes (5) in einem Strom (4) verdichteter Luft, welcher von einem Verdichterteil (2) zu einem Turbinenteil (3) strömt, mit einem Ringkanal (16) zur Führung des S.tromes (4) sowie Düsen (6) zur Zufüh- rung des Brennstoffs (5) zu dem Strom (4) in dem Verdichter¬ teil (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ver¬ dichterteil (2) so ausgelegt ist, daß der Strom (4) ihn mit einem ersten Drall (7) verläßt, welcher erste Drall (7) durch die Verbrennung des Brennstoffs (5) in einen zweiten Drall

(8) transformiert wird, und daß der Turbinenteil (3) so aus¬ gelegt ist, daß ihn der Strom (4) mi dem zweiten Drall (8) anströmen muß.

8. Gasturbine (1) nach Anspruch 7, bei der die Düsen (6) auf einem Leitrad (12, 13) in dem Verdichterteil (2) angeordnet sind.

9. Gasturbine(1) nach Anspruch 8, bei der der Strom (4) in dem Verdichterteil (2) eine Vielzahl von Leiträdern (12,13) durchströmt und das Leitrad (12) mit den Düsen (6) das vor¬ letzte oder letzte ist, welches der Strom (4) durchströmt.

10. Gasturbine (1) nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Düsen (6) in hohlen Leitschaufeln des Leitrades (12) angebracht sind.

11. Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der der Strom (4) beim Austreten aus dem Verdichterteil (2) ein letztes Leitrad (13) durchströmt, welches zur Variation des ersten Dralls (7), mit dem der Strom (4) hinter dem letzten Leitrad (13) strömt, verstellbar ist.

12. Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, die ei- nen zwischen dem Verdichterteil (2) und dem Turbinenteil (3) angeordneten Flammenhalter (15) aufweist.

13. Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei der sich der Ringkanal (16) zwischen dem Verdichterteil (2) und dem Turbinenteil (3) nach Art eines Diffusors erweitert.

14. Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der der Ringkanal (16) mit keramischen Hitzeschildelementen (20) ausgekleidet ist.

15. Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei der der Strom (4) in dem Turbinenteil (3) unmittelbar einem Laufrad (11) zugeführt wird.