WO2005003634A1 - Brennereinheit für eine gasturbine und gasturbine - Google Patents

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WO2005003634A1
WO2005003634A1 PCT/EP2004/006851 EP2004006851W WO2005003634A1 WO 2005003634 A1 WO2005003634 A1 WO 2005003634A1 EP 2004006851 W EP2004006851 W EP 2004006851W WO 2005003634 A1 WO2005003634 A1 WO 2005003634A1
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WO
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burner
gas turbine
stages
combustion chamber
burner unit
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Application number
PCT/EP2004/006851
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Inventor
Werner Krebs
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a burner unit for a gas turbine with a combustion chamber. It also relates to a gas turbine with a number of such burner units.
  • Gas turbines are used in many areas to drive generators or work machines.
  • the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft.
  • the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor.
  • the working medium generated in the combustion chamber by the combustion of the fuel and under high pressure and at high temperature is guided over a turbine unit downstream of the combustion chamber, where it relaxes while performing work.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a burner unit for a gas turbine of the type mentioned above, with which the operational safety and stability of the gas turbine is particularly promoted. Furthermore, a gas turbine is to be specified that can be operated with a particularly high level of operational safety.
  • this object is achieved according to the invention in that a plurality of burner stages are arranged on the combustion chamber, which differ from one another with regard to the acoustic impedance of their fuel feed line, the acoustic impedance of their air passage and / or the flame delay time or the injection delay time.
  • the invention is based on the consideration that the
  • Burner unit can make a particular contribution to the operational stability and safety of the gas turbine by consistently avoiding possible sources of accidents.
  • thermo-acoustically induced combustion instabilities can occur, which cannot be adequately limited by external damping mechanisms.
  • the burner unit comprising the combustion chamber should be suitably designed with regard to its acoustic properties.
  • the burner unit should be designed in several stages with regard to the burners used. A plurality of burner stages are provided, each of which has a fuel gas supply, an air supply, possibly a premixing chamber and a burner outlet, in the manner of a conventional burner.
  • the burner stages should be suitably designed with regard to their dimensioning and the selection of their characteristic parameters. It is provided that the burner stages differ from one another in at least one of the features that distinguish the respective acoustic Characterize the response times of the burner stages to a pressure fluctuation in the combustion chamber, namely the thermoacoustic properties of the fuel supply, characterized by the acoustic impedance of the fuel supply, the thermoacoustic properties of the air supply, characterized by the acoustic impedance of the air passage, and the delay time of the flame, characterized by the time which a fluid element requires from the burner outlet to the flame front, also known as "flame delay time", or by the time that a fluid enriched with fuel ement of the injection on site up to the flame front, also referred to as "injection delay time".
  • the impedance generally expresses the relationship between a force excitation and a movement resulting therefrom, that is to say, for example, in AC technology between the electric field and the resulting current density.
  • the acoustic impedance thus reflects the ratio of a pressure fluctuation to the resulting flow velocity of a medium. There is an amplitude ratio on the one hand and a phase difference on the other hand between a pressure fluctuation and a resulting fluctuation in the flow velocity.
  • the phase difference expresses the extent to which the fluctuation in the flow velocity leads or lags behind the pressure fluctuation causing it, so that the acoustic impedance is, among other things, a suitable measure for the time period between acoustic excitation, for example an acoustic alternating pressure fluctuation, and the response of the respective burner stage on this, so one
  • the multi-stage configuration of the burner unit can be implemented in a particularly favorable manner in that the burner stages are advantageously arranged one behind the other with respect to the longitudinal direction of the gas turbine.
  • Combustion chamber of the burner unit is advantageously designed as an annular combustion chamber.
  • the design as an annular combustion chamber also makes it possible to achieve a relatively homogeneous temperature and flow distribution in the circumferential direction due to its rotational symmetry.
  • the targeted setting of the acoustic properties of the burner stages can be achieved by suitable dimensioning and parameter selection, in particular with regard to the length of the fuel and / or air passage, that is to say the distance between the fuel gas injection and the burner outlet, and / or with regard to the length of the flow passages and volume sizes upstream of the Fuel injection can be set.
  • the burner stages are advantageously each provided with a number of throttle devices and / or with a number of resonator units.
  • the throttle devices can in particular be designed for the targeted generation of pressure losses in the interior of the burner stages, for example in their premixing chambers, where as
  • Throttle device for example perforated plates with appropriately dimensioned bore diameters can be provided.
  • resonators can be used, preferably in flow passages upstream or downstream of the fuel gas injection, advantageously in such a way that they open into the air passage and / or into the fuel passage of the respective burner stage.
  • acoustic decoupling or detuning of the burner stages from one another they are advantageously designed such that the sum of the so-called acoustic time period of each burner stage, i.e. the time period given by the acoustic impedances of the respective burner stage, between the acoustic excitation and the response of the respective burner stage , and the so-called delay time, that is to say the period of time that a fluid element requires for the distance between the exit plane of the respective burner stage and the flame front.
  • the flame delay time is advantageously set via the specification of a suitably selected exit speed at the respective burner outlet and / or via integrated swirl generating means, in particular the ratio of the size of the peripheral speed component to the meridional speed component of the flow medium flowing out of the respective burner stage is used.
  • the stated object is achieved by designing its burner unit as a burner unit of the aforementioned type.
  • the advantages achieved with the invention consist in particular in that a consistent acoustic decoupling of the individual burner stages from one another can be achieved due to the multi-stage design of the burner unit with burner stages which differ suitably in terms of their thermoacoustic properties.
  • the possible excitation of thermoacoustically induced combustion instabilities in the combustion system of the gas turbine can be kept particularly low.
  • a burner unit designed in this way is thus particularly stable with respect to pressure fluctuations in the combustion chamber, so that a gas turbine with such a burner unit has particularly high operational stability.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a burner unit of the gas turbine according to FIG. 1.
  • the gas turbine 1 according to FIG. 1 has a compressor 2 for
  • Combustion air Combustion air, a burner unit 3 with a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving the compressor 2 and a Nes not shown generator or a work machine.
  • the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common turbine shaft 8, also referred to as a turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
  • the combustion chamber 4 is equipped with a number of burners 10 for burning a liquid or gaseous fuel. It is also provided on its inner wall with heat shield elements, not shown.
  • the turbine 6 has a number of rotatable blades 12 connected to the turbine shaft 8.
  • the rotor blades 12 are arranged in a ring on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of rotor blades.
  • the turbine 6 comprises a number of stationary guide vanes 14, which are also attached to an inner casing 16 of the turbine 6 in a ring shape, with the formation of rows of guide vanes.
  • the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by means of a pulse transmission from the working medium M flowing through the turbine 6.
  • the guide blades 14, serve to guide the flow of the working medium M between two successive rows of blades or rotating blade rings seen in the flow direction of the working medium M.
  • a successive pair of a ring of guide vanes 14 or a row of guide vanes and a ring of vanes 12 or a row of rotor blades is also referred to as a turbine stage.
  • Each guide vane 14 has a platform 18, also designated as a blade root 19, which is arranged as a wall element for fixing the respective guide vane 14 to the inner housing 16 of the turbine 6.
  • the platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component, which forms the outer boundary of a heating gas channel for the working medium M flowing through the turbine 6.
  • Each blade 12 is in a- similarly attached to the turbine shaft 8 via a blade root 19, also referred to as platform 18, the blade root 19 each carrying a profiled blade 20 extending along a blade axis.
  • each guide ring 21 is arranged on the inner casing 16 of the turbine 6.
  • the outer surface of each guide ring 21 is likewise exposed to the hot working medium M flowing through the turbine 6 and is spaced in the radial direction from the outer end 22 of the rotor blade 12 lying opposite it by a gap.
  • the guide rings 21 arranged between adjacent guide vane rows serve in particular as cover elements which protect the inner wall 16 or other housing installation parts against thermal overloading by the hot working medium M flowing through the turbine 6.
  • each burner stage 30 is in each case connected to a schematically indicated air supply or air passage 32 and to a fuel supply line, not shown in more detail, each opening into a number of inflow openings 34.
  • a flame front 38 assigned to the respective burner stage 30 is formed in the interior of the combustion chamber 4 during operation of the gas turbine 1.
  • three burner stages 30 are shown; however, only two or even four or more burner stages 30 can also be provided.
  • the burner stages 30 are configured differently with respect to the acoustic impedance of their fuel supply line, the acoustic impedance of their air passage 32 and / or their flame delay time .
  • time constants can be derived from the acoustic impedances of the fuel feed line and the air passage 32, which are the time span between a pressure fluctuation occurring in the interior of the combustion chamber 4 and the subsequent reaction of the respective burner stage 30, that is to say a fluctuation in the exit speed at the exit of the flow medium from the respective exit plane 36, playback.
  • the flame delay time that is the period of time that a fluid element in the designed operating state of the gas turbine 1 requires to get from the outlet plane 36 of the respective burner stage 30 to the associated flame front 38
  • the overall time constant for this results in the acoustic period of time to be taken into account for the respective burner stage 30.
  • the burner stages 30 are designed in such a way that they differ from one another with regard to this characteristic time period.
  • the parameters, length of the fuel and / or air passage, length of the flow passages and volume sizes upstream of the fuel injection, pressure losses are in particular in the dimensioning and parameterization of the burner stages 30 the feed lines, outlet speed in the burner outlet plane 36, type of stabilization (swirl stabilized or bluff body stabilized) and / or ratio of the size of the peripheral speed component to the size of the meridional speed component in the flow emerging from the respective burner stage 30. suitably chosen.
  • the first burner stage 30, seen in the flow direction of the working medium M is equipped with an integrated throttle device 40, in the exemplary embodiment a perforated plate, and with resonators, not shown, which are arranged in the flow passages upstream and downstream of the fuel gas injection.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Eine Brennereinheit (3) für eine Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) soll die betriebliche Sicherheit und Stabilität der Gasturbine in besonderem Masse fördern. Dazu ist erfindungsgemäss an der Brennkammer (4) eine Mehrzahl von Brennerstufen (30) angeordnet, die sich voneinander hinsichtlich der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzuleitung, der akustischen Impedanz ihrer Luftpassage und/oder der Flammenverzugszeit oder der Injektionsverzugszeit unterscheiden.

Description

Beschreibung
Brennereinheit für eine Gasturbine und Gasturbine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennereinheit für eine Gasturbine mit einer Brennkammer. Sie betrifft weiterhin eine Gasturbine mit einer Anzahl von derartigen Brennereinheiten.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Gene- ratoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkam- mer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamisehen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt . Daher werden Temperaturen von etwa 1200 °C bis 1300 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.
Um bei den dazu erforderlichen, vergleichsweise hohen Verbrennungstemperaturen die Stickoxidemissionen der Gasturbine auch bei kompakter Bauweise besonders gering zu halten, werden moderne Gasturbinen üblicherweise im so genannten Vor- mischmodus betrieben. Dabei wird der Brennstoff über eine Vielzahl von Injektionsdüsen zugeführt und anschließend in einer Vormischpassage mit Verdichterluft vorgemischt. Zur Bereitstellung der geforderten hohen thermischen Leistungen werden zudem üblicherweise mehrere Brenner, in denen Brennstoff zugemischt und der Brennstoff mit Luft vorgemischt wird, parallel geschaltet, wobei insbesondere bei der so genannten Ringbrennkammer-Bauweise mehrere Brenner auf einer gemeinsamen, ringförmig ausgestalteten Brennkammer angeordnet sein können.
Aufgrund der hohen Leistungsdichten und der hohen Verbrennungstemperaturen sind derartige Gasturbinen gerade bei kom- pakter Bauweise möglicherweise störanf llig. Aus Gründen der betrieblichen Sicherheit und des mit dem Betrieb der Gasturbine verbundenen Aufwands ist eine hohe Störfallsicherheit von Gasturbinen jedoch wünschenswert.
Der Erfindung liegt daher Aufgabe zugrunde, eine Brennereinheit für eine Gasturbine der oben genannten Art anzugeben, mit der die betriebliche Sicherheit und Stabilität der Gasturbine in besonderem Maße gefördert wird. Des Weiteren soll eine Gasturbine angegeben werden, die mit besonders hoher be- trieblicher Sicherheit betreibbar ist.
Bezüglich der Brennereinheit für die Gasturbine wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem an der Brennkammer eine Mehrzahl von Brennerstufen angeordnet ist, die sich voneinan- der hinsichtlich der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzuleitung, der akustischen Impedanz ihrer Luftpassage und/oder der Flammenverzugszeit oder der Injektionsverzugszeit unterscheiden.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die
Brennereinheit in besonderem Maße zur betrieblichen Stabilität und Sicherheit der Gasturbine beitragen kann, indem mögliche Störfallquellen konsequent vermieden sind. Wie sich herausgestellt hat, können gerade bei für hohe Leistungsdich- ten und Verbrennungstemperaturen ausgelegten Gasturbinen in kompakter Bauweise als eine mögliche Störfallquelle thermo- akustisch induzierte Verbrennungsinstabilitäten auftreten, die durch externe Dämpfungsmechanismen nicht hinreichend begrenzt werden können. Um derartige thermoakustisch induzierte Verbrennungsinstabilitäten konsequent zu unterdrücken, sollte die die Brennkammer umfassende Brennereinheit im Hinblick auf ihre akustischen Eigenschaften geeignet ausgelegt sein. Als Auslegungsziel kann dabei insbesondere berücksichtigt sein, eine Kopplung zwischen den thermoakustischen Antwortzeiten der Brennerflammen und den akustischen Eigenfrequenzen des Verbrennungssystems, die zur Anregung thermoakustisch indu- zierter Verbrennungsinstabilitäten führen könnte, zu unterdrücken. Um dies zu ermöglichen und insbesondere um eine ausreichende Anzahl beeinflussbarer Parameter bereitzustellen, sollte die Brennereinheit hinsichtlich der eingesetzten Brenner mehrstufig ausgeführt sein. Dabei sind eine Mehrzahl von Brennerstufen vorgesehen, von denen jede in der Art eines herkömmlichen Brenners über eine Brenngaszufuhr, eine Luftzufuhr, gegebenenfalls eine Vormischkammer und einen Brenneraustritt verfügt .
Zur Sicherstellung der auslegungsgemäß vorgesehenen akustischen Entkopplung oder „Verstimmung" dieser Untersysteme voneinander sollten die Brennerstufen hinsichtlich ihrer Dimensionierung und der Wahl ihrer charakteristischen Parameter geeignet ausgelegt sein. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Brennerstufen voneinander in mindestens einem der Merkmale unterscheiden, die die jeweiligen akustischen Antwortzeiten der Brennerstufen auf eine Druckschwankung in der Brennkammer charakterisieren, nämlich die thermoakustischen Eigenschaften der Brennstoffzufuhr, charakterisiert durch die akustische Impedanz der Brennstoffzuleitung, die thermoakustischen Eigenschaften der Luftzufuhr, charakterisiert durch die akustische Impedanz der Luftpassage, und die Verzugszeit der Flamme, charakterisiert durch die Zeit, die ein Fluidelement benötigt vom Brenneraustritt bis zur Flammenfront, auch als „Flammenverzugszeit" bezeichnet, oder durch die Zeit, die ein mit Brennstoff angereichertes Fluidelement von der Injekti- onsstelle benötigt bis zur Flammenfront, auch als „Injektionsverzugszeit" bezeichnet.
Die Impedanz drückt dabei im Allgemeinen das Verhältnis zwi- sehen einer Kraftanregung und einer daraus resultierenden Bewegung, also beispielsweise in der Wechselstromtechnik zwischen elektrischem Feld und daraus resultierender Stromdichte, aus. In der Akustik gibt die akustische Impedanz somit das Verhältnis aus einer Druckschwankung zur daraus resultie- renden Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums wieder. Zwischen einer Druckschwankung und einer daraus resultierenden Schwankung in der Strömungsgeschwindigkeit besteht einerseits ein Amplitudenverhältnis und andererseits eine Phasendifferenz. Die Phasendifferenz drückt dabei aus, inwieweit die Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit der sie verursachenden Druckschwankung voraus- oder hinterhereilt, so dass die akustische Impedanz unter anderem ein geeignetes Maß für die Zeitspanne zwischen einer akustischen Anregung, also beispielsweise einer akustischen Wechseldruckschwankung, und der Antwort der jeweiligen Brennerstufe hierauf, also eine
Schwankung der Austrittsgeschwindigkeit an der jeweiligen Brenneraustrittsebene, ist.
Die mehrstufige Ausgestaltung der Brennereinheit ist auf be- sonders günstige Weise umsetzbar, indem die Brennerstufen vorteilhafterweise bezüglich der Längsrichtung der Gasturbine hintereinander angeordnet sind.
Eine im Hinblick auf die erreichbare Leistungsdichte beson- ders günstige und kompakte Bauweise ist erreichbar, indem die
Brennkammer der Brennereinheit vorteilhafterweise als Ringbrennkammer ausgebildet ist. Durch die Bauweise als Ringbrennkammer ist zudem aufgrund von deren Rotationssymmetrie eine in Umfangsrichtung gesehen vergleichsweise homogene Tem- peratur- und Strömungsverteilung erreichbar. Die gezielte Einstellung der akustischen Eigenschaften der Brennerstufen kann durch geeignete Dimensionierung und Parameterwahl insbesondere hinsichtlich der Länge der Brennstoff- und/oder Luftpassage, also der Strecke zwischen der Brenngas- eindüsung und dem Brenneraustritt, und/oder hinsichtlich der Länge der Strömungspassagen und Volumengrößen stromauf der Brennstoff-Injektion eingestellt werden. Um darüber hinaus aber noch weitere Freiheitsgrade zur auslegungsgemäßen akustischen Entkopplung der Brennerstufen voneinander bereitzu- stellen, sind die Brennerstufen vorteilhafterweise jeweils mit einer Anzahl von Drosseleinrichtungen und/oder mit einer Anzahl von Resonatoreinheiten versehen. Die Drosseleinrichtungen können dabei insbesondere zur gezielten Erzeugung von Druckverlusten in Innenräumen der Brennerstufen, beispiels- weise in deren Vormischkammern, ausgelegt sein, wobei als
Drosseleinrichtung beispielsweise Lochbleche mit geeignet dimensionierten Bohrungsdurchmessern vorgesehen sein können. Zusätzlich oder alternativ können Resonatoren eingesetzt sein, vorzugsweise in Strömungspassagen stromauf oder stromab der Brenngaseindüsung, vorteilhafterweise derart, dass sie in die Luftpassage und/oder in die Brennstoffpassage der jeweiligen Brennerstufe münden.
Für eine zuverlässige akustische Entkopplung oder Verstimmung der Brennerstufen voneinander sind diese vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass sich die Summe aus der so genannten akustischen Zeitspanne jeder Brennerstufe, also die durch die akustischen Impedanzen der jeweiligen Brennerstufe gegebene Zeitspanne zwischen der akustischen Anregung und der Antwort der jeweiligen Brennerstufe, und der so genannten Verzugszeit, also derjenigen Zeitspanne, die ein Fluidelement für die Strecke zwischen der Austrittsebene der jeweiligen Brennerstufe und der Flammenfront benötigt, voneinander unterscheiden. Die Flammenverzugszeit ist dabei vorteilhafterweise über die Vorgabe einer geeignet gewählten Austrittsgeschwindigkeit am jeweiligen Brenneraustritt und/oder über integrierte Drallerzeugungsmittel eingestellt, wobei insbesondere das Verhältnis aus der Größe der Umfangsgeschwindigkeitskomponente zur meridionalen Geschwindigkeitskomponente des aus der jeweiligen Brennerstufe abströmenden Strömungsmediums herangezogen ist.
Bezüglich der Gasturbine wird die genannte Aufgabe gelöst, indem deren Brennereinheit als Brennereinheit der vorgenannten Art ausgestaltet ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die mehrstufige Ausgestaltung der Brennereinheit mit Brennerstufen, die sich hinsichtlich ihrer thermoakustischen Eigenschaften geeignet voneinander unterscheiden, eine konsequente akustische Entkopplung der einzel- nen Brennerstufen voneinander erreichbar ist . Dadurch kann die mögliche Anregung thermoakustisch induzierter Verbrennungsinstabilitäten im Verbrennungssystem der Gasturbine besonders gering gehalten werden. Eine derartig ausgestaltete Brennereinheit ist somit besonders stabil gegenüber Druck- Schwankungen in der Brennkammer, so dass eine Gasturbine mit einer derartigen Brennereinheit eine besonders hohe betriebliche Stabilität aufweist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine, und
FIG 2 im Längsschnitt eine Brennereinheit der Gasturbine nach FIG 1.
Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für
Verbrennungsluft, eine Brennereinheit 3 mit einer Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und ei- nes nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Ar- beitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist.
Die Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs be- stückt. Sie ist weiterhin an ihrer Innenwand mit nicht näher dargestellten Hitzeschildelementen versehen.
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufein 12 auf. Die Laufschau- fein 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leit- schaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 be- festigt sind. Die Laufschaufein 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gese- hen aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufein 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet .
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß 19 bezeichnete Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heizgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufei 12 ist in a- naloger Weise über einen auch als Plattform 18 bezeichneten Schaufelfuß 19 an der Turbinenwelle 8 befestigt, wobei der Schaufelfuß 19 jeweils ein entlang einer Schaufelachse erstrecktes profiliertes Schaufelblatt 20 trägt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufein 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungs- rings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Lauf- schaufel 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützt.
Zur Gewährleistung einer hohen betrieblichen Sicherheit und insbesondere zur Vermeidung thermoakustisch induzierter Verbrennungsinstabilitäten ist die Brennereinheit 3, die in FIG 2 im Längsschnitt dargestellt ist, mehrstufig ausgeführt, wobei an der als Ringbrennkammer ausgestalteten Brennkammer 4 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen hintereinander eine Mehrzahl von Brennerstufen 30 angeordnet ist. Jede Brennerstufe 30 ist dabei jeweils an eine schematisch angedeutete Luftzufuhr oder Luftpassage 32 und an eine nicht näher dargestellte, jeweils in einer Anzahl von Einströmöffnun- gen 34 mündende Brennstoffzuleitung angeschlossen. Ausgehend von der Brenneraustrittsebene 36 jeder Brennerstufe 30 bildet sich beim Betrieb der Gasturbine 1 im Innenraum der Brennkammer 4 eine der jeweiligen Brennerstufe 30 zugeordnete Flammenfront 38. Im Ausführungsbeispiel nach FIG 2 sind drei Brennerstufen 30 dargestellt; es können aber auch lediglich zwei oder auch vier oder mehr Brennerstufen 30 vorgesehen sein. Zur Sicherstellung der thermoakustischen Entkopplung oder Verstimmung der Brennerstufen 30 voneinander, die die Vermeidung der Anregung thermoakustisch induzierter Verbrennungsin- Stabilitäten gewährleisten soll, sind die Brennerstufen 30 hinsichtlich der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzuleitung, der akustischen Impedanz ihrer Luftpassage 32 und/oder ihrer Flammenverzugszeit unterschiedlich voneinander ausgestaltet. Aus den akustischen Impedanzen der Brennstoffzulei- tung und der Luftpassage 32 lassen sich dabei jeweils Zeitkonstanten herleiten, die die Zeitspanne zwischen einer im Innenraum der Brennkammer 4 auftretenden Druckschwankung und der darauf folgenden Reaktion der jeweiligen Brennerstufe 30, also einer Schwankung der Austrittsgeschwindigkeit beim Aus- tritt des Strömungsmediums aus der jeweiligen Austrittsebene 36, Wiedergeben. Nach der Addition der so genannten Flammenverzugszeit, also derjenigen Zeitspanne, die ein Fluidelement im Auslegungsgemäßen Betriebszustand der Gasturbine 1 benötigt, um von der Austrittsebene 36 der jeweiligen Brennerstu- fe 30 zur diese zugeordneten Flammenfront 38 zu gelangen, zu dieser Zeitkonstanten ergibt sich die insgesamt für die akustische Auslegung der jeweiligen Brennerstufe 30 zu berücksichtigende Zeitspanne. Die Brennerstufen 30 sind dabei derart ausgelegt, dass sie sich hinsichtlich dieser charakteris- tischen Zeitspanne voneinander unterscheiden.
Um diese Unterschiede in der Auslegung der Brennerstufen 30 zueinander zu erzeugen, sind bei der Dimensionierung und Pa- rametrierung der Brennerstufen 30 insbesondere die Parameter, Länge der Brennstoff- und/oder Luftpassage, Länge der Strömungspassagen und Volumengrδßen stromauf der Brennstoff-Injektion, Druckverluste in den Zuleitungen, Austrittsgeschwindigkeit in der Brenneraustrittsebene 36, Stabilisierungsart (Drall stabilisiert oder Staukörper stabilisiert) und/oder Verhältnis der Größe der Umfangsgeschwindigkeitskomponente zur Größe der meridionalen Geschwindigkeitskomponente in der aus der jeweiligen Brennerstufe 30 austretenden Strömung ge- eignet gewählt. Weiterhin ist im Ausführungsbeispiel die in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen erste Brennerstufe 30 mit einer integrierten Drosseleinrichtung 40, im Ausführungsbeispiel ein Lochblech, sowie mit in den Strδ- mungspassagen stromauf und stromab der Brenngaseindüsung angeordneten, nicht näher dargestellten Resonatoren bestückt.

Claims

Patentansprüche
1. Brennereinheit (3) für eine Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) , an der eine Mehrzahl von Brennerstufen (30) angeordnet ist, die sich voneinander hinsichtlich der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzuleitung, der akustischen Impedanz ihrer Luftpassage und/oder der Flammenverzugszeit oder der Injektionsverzugszeit unterscheiden.
2. Brennereinheit (3) nach Anspruch 1, bei der die Brennerstufen (30) bezüglich der Längsrichtung der Gasturbine (2) hintereinander angeordnet sind.
3. Brennereinheit (3) nach Anspruch 1 oder 2, deren Brennkam- mer (4) als Ringbrennkammer ausgebildet ist.
4. Brennereinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Brennerstufen (30) jeweils mit einer Anzahl von Drosseleinrichtungen (40) versehen sind.
5. Brennereinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Brennerstufen (30) jeweils mit einer Anzahl von Resonatoreinheiten versehen sind, die vorzugsweise in die Luftpassage und/oder in die Brennstoffpassage der jeweiligen Brennerstufe (30) münden .
6. Brennereinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei deren Brennerstufen (30) die jeweilige Flammenverzugszeit ü- ber die Vorgabe einer Austrittsgeschwindigkeit am jeweiligen Brenneraustritt und/oder über integrierte Drallerzeugungsmit- tel eingestellt ist.
7. Gasturbine (1) mit einer Anzahl von Brennereinheiten (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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