WO2006053825A1 - Gasturbinenanlage und zugehörige brennkammer - Google Patents

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WO2006053825A1
WO2006053825A1 PCT/EP2005/055669 EP2005055669W WO2006053825A1 WO 2006053825 A1 WO2006053825 A1 WO 2006053825A1 EP 2005055669 W EP2005055669 W EP 2005055669W WO 2006053825 A1 WO2006053825 A1 WO 2006053825A1
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WO
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combustion chamber
row
gas turbine
turbine plant
guide
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/055669
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus DÖBBELING
Original Assignee
Alstom Technology Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of WO2006053825A1 publication Critical patent/WO2006053825A1/de

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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
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/16—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration with devices inside the flame tube or the combustion chamber to influence the air or gas flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03341—Sequential combustion chambers or burners

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine plant, in particular for a power plant with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a combustion chamber for such a gas turbine plant.
  • a gas turbine plant has a combustion chamber and a turbine, which in turn has at least a first row of vanes and a first blade row.
  • the first row of guide vanes is located immediately upstream of the first row of blades and thus downstream of the combustion chamber.
  • the nitrogen oxide formation depends inter alia on the temperature level of the combustion reaction and on the residence time of the gas flow in the combustion chamber.
  • the nitrogen oxide formation increases with increasing temperature and with increasing residence time. Local temperature maxima can be avoided in the combustion chamber by homogenizing the combustion gas mixture, whereby a reduction of the nitrogen oxide formation can be achieved.
  • a global lowering of the combustion temperature in the combustion chamber is undesirable because this would simultaneously lead to a reduction of the achievable shaft work, which reduces the overall efficiency of the gas turbine plant.
  • Attempts to reduce the nitrogen oxide formation by shortening the residence time have shown increased carbon monoxide formation, especially at partial load of the gas turbine plant.
  • the invention deals with the problem of providing for a gas turbine plant or for its combustion chamber an improved embodiment, which in particular allows a reduction of the formation of nitrogen oxides.
  • the invention is based on the general idea of integrating the first row of guide vanes of the turbine in the combustion chamber.
  • the invention uses the knowledge that the gas flow cools due to the acceleration, heat transfer and possibly cooling gas injection in the first row of guide blades.
  • the invention thus makes it possible to reduce the formation of nitrogen oxides, while at the same time sufficiently low carbon monoxide values can be achieved.
  • the temperature level at the first blade row can be set at least as high as in a conventional turbine with immediately upstream arranged first blade row, so that a deterioration of the efficiency is not expected.
  • the first row of guide vanes is preferably arranged in a combustion chamber of the combustion chamber, in such a way that the first row of guide vanes divides this combustion chamber into a pre-combustion chamber and a secondary combustion chamber. That is, part of the fuel in the Vorbrennraum is implemented and the desired complete implementation of the remaining fuel takes place in the afterburner.
  • the first row of guide blades may be arranged on a larger average radius than the first row of blades.
  • a reduced deflection in the first vane row leads to a reduction in the flow losses, since they have a strong dependence on the deflection in the first row of guide vanes.
  • the flow velocity required at the first guide blade row can be reduced.
  • the heat transfer behaves proportionally to the flow velocity, so that a reduction of the flow velocity leads to a smaller cooling requirement of the first guide vane row. In particular, this makes it possible to equip the first guide blade row with a closed cooling system.
  • An embodiment in which the first row of guide blades is designed to introduce additional fuel into the afterburning space and, accordingly, to one, is also particularly advantageous Fuel supply is connected.
  • a temperature increase can be achieved in the afterburner, for example, to compensate for a previously undesirably strong temperature drop, which can arise, for example, in a cooling of the first row of vanes by means of an open cooling system that works with adegasausblasung.
  • the first vane row may be lined with a cooling gas, e.g. As steam or air, to be cooled, wherein a portion of the cooling gas of the hot gas flow can be mixed, for. B. by means of leakage or film cooling.
  • a cooling gas e.g. As steam or air
  • FIG. 1 is a circuit diagram-like schematic diagram of a gas turbine plant according to the invention
  • Fig. 2 is a view as in Fig. 1, but in another embodiment. Ways to carry out the invention
  • a gas turbine plant 1 according to the invention comprises a turbine 2 and a combustion chamber 3.
  • the gas turbine plant 1 may be a stationary gas turbine plant 1, which can be used in particular in a power plant for power generation. Likewise, it is basically possible to use the gas turbine plant 1 in an engine, in particular for an aircraft.
  • the turbine 2 has a first row of guide blades 4 and a first row of blades 5. Further, the turbine 2 also has a second vane row 6, a third vane row 7, a second blade row 8, and a third blade row 9. While the blade rows 5, 8, 9 are fixedly connected to a rotor 10 of the turbine 2, the rows of vanes are 4, 6, 7 arranged stationary with respect to a stator 11 of the turbine 2.
  • the first guide blade row 4 is now integrated in the combustion chamber 3.
  • the first guide blade row 4 is arranged so far upstream of the first blade row 5 that it is arranged offset into a combustion chamber 12 of the combustion chamber 3.
  • the positioning of the first row of guide blades 4 in this combustion chamber 12 takes place such that the combustion chamber 12 is subdivided into a pre-combustion chamber 13, which is located upstream of the first guide blade row 4, and an afterburner 14, which is located downstream of the first guide blade row 4.
  • Vorbrennraum 13 is not complete conversion of the fuel; first in the afterburner 14 of the remaining fuel is fully implemented as possible.
  • the positioning of the first row of guide blades 4 in the combustion chamber 12 takes place in such a way that at least one ignition of the combustion gas mixture is ensured in the pre-combustion chamber 13. Furthermore, in the pre-combustion chamber 13, a significant conversion of the fuel into its end products, predominantly CO 2 and H 2 O, should take place. For example, this fuel conversion should be at least 30%; preferred is a conversion of over 95%.
  • the high temperatures in the pre-combustion chamber 13 basically promote the formation of nitrogen oxides.
  • this nitrogen oxide formation requires a comparatively long residence time of the gas flow under these high temperatures.
  • the residence time in the pre-combustion chamber 13 is very short, since the first row of guide blades 4 delimits the pre-combustion chamber 13.
  • the gas flow is deflected and accelerated, which leads to a significant decrease in temperature in addition to flow losses. Accordingly, prevails in the afterburner 14 a lower static temperature than in the pre-combustion chamber 13. This lower temperature level is tuned to the nitrogen oxide production that this is not or only very slowly.
  • the arrangement of the first row of guide blades 4 in the combustion chamber 12 is such that there is a stabilization zone for the combustion reaction in the pre-combustion chamber 13.
  • a stationary flame front of the combustion reaction can stabilize. This leads to a stable and low-emission operation of the combustion chamber.
  • the residence time of the gas flow in the pre-combustion chamber 13 can be defined by the positioning of the first guide blade row 4 within the combustion chamber 12. It is expedient to have the shortest possible residence time in order to inhibit nitrogen oxide production.
  • the design of the combustion chamber 3 according to the invention is such that the residence time of the gas flow in the pre-combustion chamber 13 is smaller than a residence time of the gas flow in the afterburner 14.
  • the residence time in the pre-combustion chamber 13 may be about half as large as in the afterburner 14.
  • the ratio the residence times in the pre-combustion chamber 13 and in the afterburner 14 is less than 1: 2 be.
  • the residence time in the pre-combustion chamber 13 is less than 5 ms, while the residence time in the afterburner 14 is about 10 ms.
  • the pre-combustion chamber 13 is designed annular, ie in particular in the manner of an annular combustion chamber. Likewise, it is basically possible to design the pre-combustion chamber 13 in the manner of a bushing combustion chamber. In contrast, the afterburning chamber 14 is also designed in the manner of an annular combustion chamber, so that it extends annularly.
  • the combustion chamber 3 is also equipped with at least one, preferably with several Vormischbrennem 15, which are known per se from the prior art and therefore need not be explained in detail.
  • the first vane row 4 may consist of a high temperature resistant material, for. B. of a ceramic, so that in principle can be dispensed with an additional cooling of the first row of guide vanes 4.
  • cooling of the first row of guide blades 4 is possible.
  • a closed cooling system can be provided, in which the cooling of the individual guide vanes of the first guide vane row 4 takes place internally, ie without blowing out the cooling gas into the hot gas flow.
  • the respective cooling gas for.
  • As steam or air after cooling the first row of guide blades 4 upstream of the combustion chamber 3 are mixed with a main air mass flow. As a result, the overall energy efficiency of the gas turbine plant 1 can be improved.
  • the first row of stator blades 4 can also be cooled with an open cooling system, in which the cooling gas is blown out into the gas flow.
  • an open cooling system in which the cooling gas is blown out into the gas flow.
  • Conventional open cooling systems with film cooling and / or surface-coveringdegasausblasung are known on a Leading edge of the guide vane profiles.
  • an impingement cooling is known, which acts on the vanes inside with cooling gas.
  • An open cooling system leads by itsdegasausblasung in the hot gas flow to an additional temperature reduction in the afterburner 14.
  • the reduced temperature results in Nachbrennraum 14 in a closed cooling system substantially exclusively from the flow deflection on or in the first row of guide vanes 4.
  • the first row of guide 4 to design so that additional fuel can be introduced into the afterburner 14.
  • the first row of guide blades 4 is connected to a fuel supply 16, which allows injection of additional fuel into the afterburner 14 within the individual guide blades.
  • the fuel injection can, for. B. at a trailing edge of the respective vane or at any other suitable location of the vane profile.
  • the afterburner 14, which contains a burn-out zone during operation of the gas turbine plant 1, is preferably cooled purely convectively.
  • combustion chamber walls 17 are acted upon at a side facing away from the hot gas flow side with a suitable cooling gas, which is also used here for convection cooling of the pre-combustion chamber 13.
  • a suitable cooling gas which is also used here for convection cooling of the pre-combustion chamber 13.
  • the afterburner 14 is expediently designed in the manner of an annular combustion chamber, resulting in the smallest possible surface to be cooled.
  • the execution of the afterburning chamber 14 as a bushing combustion chamber would lead to disruptions, since the exit of the afterburning space 14 leads directly to the first blade row 5.
  • the cooling gas flow for convection cooling of the afterburner 14 and the pre-combustion chamber 13 is symbolized by arrows 19 in the figures.
  • the first row of guide blades 4 is located approximately at the same central radius 18, which is measured with respect to an axis of rotation 20 of the rotor 10, like the first row of blades 5 or like the other rows of blades 5 to 9.
  • the first row of guide blades 4 is arranged on a larger middle radius 18 than the first row of blades 5 or the other rows of blades 5 to 9.
  • the mean radius 18 of the first guide blade 4 is significantly larger, however, at least 5% larger than the mean radius 18 of the first blade 5.
  • the ratio of axial velocity to circumferential velocity correlates with the flow angle or with the deflection.
  • an additional deflection can thus be achieved by the flow in the afterburning space 14.
  • the flow losses on the first guide blade row 4 correlate with the flow deflection achieved there; the larger the flow deflection, the greater the flow losses.
  • the heat transfer depends almost proportionally on the flow velocity, so that a reduced flow velocity leads to a smaller heat transfer.
  • the flow deflection in the first row of guide blades 4 can be selected to be the same as in the first row of blades 5, which causes the flow rate at the first row of guide blades 4 to decrease in accordance with the increase in the mean radius 18.
  • the reduced flow rate leads to a correspondingly reduced heat transfer between the hot gas flow and the first guide blade row 4, whereby the cooling requirement for the first guide blade row 4 is correspondingly reduced.
  • the flow deflection in the first blade row 5 refers to the effective flow deflection.

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Abstract

Es wird eine Gasturbinenanlage (1 ), insbesondere für eine Kraftwerksanlage, mit einer Brennkammer (3) und mit einer Turbine (2), die zumindest eine erste Leitschaufelreihe (4) und eine erste Laufschaufelreihe (5) aufweist. Zur Reduzierung der Stickoxidbildung ist die erste Leitschaufelreihe (4) in die Brennkammer (3) integriert.

Description

Gasturbinenanlage und zugehörige Brennkammer
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, insbesondere für eine Kraftwerksanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkammer für eine derartige Gasturbinenanlage.
Stand der Technik
Üblicherweise besitzt eine Gasturbinenanlage eine Brennkammer sowie eine Turbine, die ihrerseits wenigstens eine erste Leitschaufelreihe und eine erste Laufschaufelreihe aufweist. Üblicherweise befindet sich die erste Leitschaufelreihe unmittelbar stromauf der ersten Laufschaufelreihe und somit stromab der Brennkammer.
In der Brennkammer erfolgt eine möglichst vollständige Umsetzung des Brennstoffs. Anschließend werden die heißen Verbrennungsabgase in der ersten Leitschaufelreihe beschleunigt und umgelenkt, um eine vorbestimmte Beaufschlagung der ersten Laufschaufelreihe zu erzielen. In der ersten Laufschaufelreihe erfolgt eine weitere Umlenkung der Gasströmung, wobei diese nutzbare Wellenarbeit auf den Rotor der Turbine abgibt.
Bei der Verbrennungsreaktion in der Brennkammer können unerwünschte Stickoxide entstehen. Die Stickoxidbildung hängt unter anderem vom Temperaturniveau der Verbrennungsreaktion und von der Verweilzeit der Gasströmung in der Brennkammer ab. Dabei wächst die Stickoxidbildung mit zunehmender Temperatur und mit zunehmender Verweilzeit an. Lokale Temperaturmaxima lassen sich in der Brennkammer durch eine Homogenisierung des Verbrennungsgasgemischs vermeiden, wodurch eine Reduktion der Stickoxidbildung erzielbar ist. Eine globale Absenkung der Verbrennungstemperatur in der Brennkammer ist jedoch unerwünscht, da dies gleichzeitig zu einer Reduzierung der erzielbaren Wellenarbeit führen würde, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage reduziert. Versuche, die Stickoxidbildung durch eine Verkürzung der Verweilzeit zu reduzieren, haben eine erhöhte Kohlenmonoxidbildung gezeigt, insbesondere bei Teillast der Gasturbinenanlage.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Gasturbinenanlage bzw. für deren Brennkammer eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine Reduzierung der Stickoxidbildung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die erste Leitschaufelreihe der Turbine in die Brennkammer zu integrieren. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass sich die Gasströmung durch die Beschleunigung, Wärmeübertragung und ggf. Kühlgaseinblasung in der ersten Leitschaufelreihe abkühlt. Zur Ausführung der Erfindung befindet sich stromauf der ersten Leitschaufelreihe ein Brennkammerabschnitt mit relativ hoher Temperatur, jedoch vergleichsweise kurzer Verweilzeit, was die Stickoxidbildung reduziert. Stromab der ersten Leitschaufelreihe befindet sich dann ein Brennkammerabschnitt mit reduzierter Temperatur, was seinerseits die Bildung von Stickoxiden hemmt. Zwar kommt es aufgrund der kurzen Verweilzeit im stromauf der ersten Leitschaufelreihe liegenden Brennkammerabschnitt zu einer verminderten Oxidation der Kohlenmonoxide, jedoch kann diese Oxidation auch im stromab der ersten Leitschaufelreihe liegenden Brennkammerabschnitt stattfinden, so dass insgesamt die Kohlenmonoxidemission nicht vergrößert ist. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Oxidationsrate für Kohlenmonoxid eine geringere Temperaturabhängigkeit besitzt als die Bildungsrate der Stickoxide. Insgesamt ermöglicht die Erfindung somit eine Reduzierung der Stickoxidbildung, wobei gleichzeitig hinreichend niedrige Kohlenmonoxidwerte erzielbar sind. Außerdem kann das Temperaturniveau an der ersten Laufschaufelreihe zumindest so hoch gewählt werden, wie bei einer konventionellen Turbine mit unmittelbar stromauf angeordneter erster Leitschaufelreihe, so dass auch eine Verschlechterung des Wirkungsgrads nicht erwartet wird.
Vorzugsweise ist die erste Leitschaufelreihe bei der Erfindung in einem Brennraum der Brennkammer angeordnet, und zwar so, dass die erste Leitschaufelreihe diesen Brennraum in einen Vorbrennraum und einen Nachbrennraum unterteilt. Das heißt, dass ein Teil des Brennstoffs im Vorbrennraum umgesetzt wird und die angestrebte vollständige Umsetzung des restlichen Brennstoffs im Nachbrennraum erfolgt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die erste Leitschaufelreihe auf einem größeren mittleren Radius angeordnet sein, als die erste Laufschaufelreihe. Durch diese Maßnahme ergeben sich mehrere Möglichkeiten und Vorteile. Der durch die erste Leitschaufelreihe in die Gasströmung eingebrachte Drall bleibt durch die Reduzierung des Radius beim Übergang zur ersten Laufschaufelreihe erhalten und sorgt bei konstanter Axialgeschwindigkeit für eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit, da sich diese reziprok proportional zum Radius verhält. In der Folge führt dies zu einer Vergrößerung der Strömungsumlenkung bis zur ersten Laufschaufelreihe. Zur Realisierung eines gewünschten Strömungswinkels an der ersten Laufschaufelreihe kann somit die Umlenkung, die an der ersten Leitschaufelreihe realisiert werden muss, reduziert werden. Eine verringerte Umlenkung in der ersten Leitschaufelreihe führt zu einer Reduzierung der Strömungsverluste, da diese eine starke Abhängigkeit von der Umlenkung in der ersten Leitschaufelreihe aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann durch eine entsprechende Ausgestaltung der ersten Leitschaufelreihe und der ersten Laufschaufelreihe die an der ersten Leitschaufelreihe erforderliche Strömungsgeschwindigkeit reduziert werden. Die Wärmeübertragung verhält sich proportional zur Strömungsgeschwindigkeit, so dass eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit zu einem kleineren Kühlbedarf der ersten Leitschaufelreihe führt. Insbesondere wird es dadurch möglich, die erste Leitschaufelreihe mit einem geschlossenen Kühlsystem auszustatten.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die erste Leitschaufelreihe zum Einbringen von zusätzlichem Brennstoff in den Nachbrennraum ausgestaltet und dementsprechend an eine Brennstoffversorgung angeschlossen ist. Durch diese Maßnahme kann im Nachbrennraum eine Temperaturerhöhung erreicht werden, beispielsweise um eine vorausgehend unerwünscht starke Temperaturabsenkung zu kompensieren, die beispielsweise bei einer Kühlung der ersten Leitschaufelreihe mittels eines offenen Kühlsystems entstehen kann, das mit einer Kühlgasausblasung arbeitet.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die erste Leitschaufelreihe mit einem Kühlgas, z. B. Dampf oder Luft, gekühlt werden, wobei ein Teil des Kühlgases der Heißgasströmung zugemischt werden kann, z. B. mittels Leckage oder Filmkühlung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage,
Fig. 2 eine Ansicht wie in Fig. 1 , jedoch bei einer anderen Ausführungsform. Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den Fig. 1 und 2 umfasst eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage 1 eine Turbine 2 und eine Brennkammer 3. Die Gasturbinenanlage 1 kann dabei eine stationäre Gasturbinenanlage 1 sein, die insbesondere in einer Kraftwerksanlage zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, die Gasturbinenanlage 1 bei einem Triebwerk, insbesondere für ein Flugzeug, zu verwenden.
Die Turbine 2 weist eine erste Leitschaufelreihe 4 sowie eine erste Laufschaufelreihe 5 auf. Des Weiteren besitzt die Turbine 2 hier außerdem eine zweite Leitschaufelreihe 6, eine dritte Leitschaufelreihe 7, eine zweite Laufschaufelreihe 8 sowie eine dritte Laufschaufelreihe 9. Während die Laufschaufelreihen 5, 8, 9 fest mit einem Rotor 10 der Turbine 2 verbunden sind, sind die Leitschaufelreihen 4, 6, 7 bezüglich eines Stators 11 der Turbine 2 ortsfest angeordnet.
Erfindungsgemäß ist nun die erste Leitschaufelreihe 4 in die Brennkammer 3 integriert. Mit anderen Worten, die erste Leitschaufelreihe 4 ist bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage 1 so weit stromauf der ersten Laufschaufelreihe 5 angeordnet, dass sie dabei in einen Brennraum 12 der Brennkammer 3 hineinversetzt angeordnet ist. Vorzugsweise erfolgt die Positionierung der ersten Leitschaufelreihe 4 in diesem Brennraum 12 so, dass der Brennraum 12 in einen Vorbrennraum 13, der sich stromauf der ersten Leitschaufelreihe 4 befindet, und einen Nachbrennraum 14 unterteilt ist, der sich stromab der ersten Leitschaufelreihe 4 befindet. Das bedeutet, dass die in der Brennkammer 3 ablaufende Verbrennungsreaktion, bei welcher eine möglichst weitgehende Umsetzung des Brennstoffs erfolgt, quasi zweistufig realisiert wird. Im Vorbrennraum 13 erfolgt keine vollständige Umsetzung des Brennstoffs; erst im Nachbrennraum 14 wird der restliche Brennstoff möglichst vollständig umgesetzt.
Des Weiteren erfolgt die Positionierung der ersten Leitschaufelreihe 4 im Brennraum 12 so, dass im Vorbrennraum 13 zumindest eine Zündung des Verbrennungsgasgemischs sichergestellt ist. Weiterhin soll bereits im Vorbrennraum 13 eine signifikante Umsetzung des Brennstoffs in dessen Endprodukte, vorwiegend CO2 und H2O, erfolgen. Beispielsweise soll diese Brennstoffumsetzung zumindest 30% betragen; bevorzugt ist eine Umsetzung von über 95%.
Im Betrieb der Gasturbinenanlage 1 können im Vorbrennraum 13 vergleichsweise hohe Verbrennungstemperaturen erzielt werden, was für einen hohen Energieinhalt der Gasströmung vorteilhaft ist.
Gleichzeitig begünstigen die hohen Temperaturen im Vorbrennraum 13 grundsätzlich die Bildung von Stickoxiden. Jedoch benötigt diese Stickoxidbildung eine vergleichsweise große Verweilzeit der Gasströmung unter diesen hohen Temperaturen. Die Verweilzeit im Vorbrennraum 13 ist jedoch sehr kurz, da die erste Leitschaufelreihe 4 den Vorbrennraum 13 begrenzt. Bei der Durchströmung der ersten Leitschaufelreihe 4 wird die Gasströmung umgelenkt und beschleunigt, was neben Strömungsverlusten zu einer signifikanten Temperaturabsenkung führt. Dementsprechend herrscht im Nachbrennraum 14 eine kleinere statische Temperatur als im Vorbrennraum 13. Dieses niedrigere Temperaturniveau ist dabei so auf die Stickoxidproduktion abgestimmt, dass diese nicht oder nur noch sehr langsam erfolgt. Auf diese Weise kann insgesamt die Stickoxidproduktion stark gehemmt werden, was die Emissionswerte der Gasturbinenanlage 1 entsprechend verbessert. Bemerkenswert ist dabei, dass bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage 1 bzw. bei der erfindungsgemäßen Brennkammer 3 eine erhöhte Kohlenmonoxidbildung vermieden werden kann, da insgesamt eine vergleichsweise große Verweilzeit für die Gasströmung innerhalb der Brennräume 13 und 14 bereitgestellt wird. Die Abhängigkeit der Kohlenmonoxidbildung von der Temperatur im jeweiligen Brennraum 13, 14 ist dabei deutlich schwächer als die Temperaturabhängigkeit der Stickoxidproduktion. Dementsprechend führt die abgesenkte Temperatur im Nachbrennraum 14 durch die vorgeschaltete erste Leitschaufelreihe 4 zwar zu einer verminderten Stickoxidbildung, während gleichzeitig eine hinreichende Aufoxidation von Kohlenmonoxid und somit ein hinreichender Kohlenmonoxidabbau erreicht werden kann.
Vorzugsweise erfolgt die Anordnung der ersten Leitschaufelreihe 4 im Brennraum 12 so, dass sich im Vorbrennraum 13 eine Stabilisierungszone für die Verbrennungsreaktion befindet. Mit anderen Worten, im Vorbrennraum 13 kann sich eine stationäre Flammenfront der Verbrennungsreaktion stabilisieren. Dies führt zu einem stabilen und schadstoffarmen Betrieb der Brennkammer 3.
Die Verweilzeit der Gasströmung im Vorbrennraum 13 lässt sich durch die Positionierung der ersten Leitschaufelreihe 4 innerhalb des Brennraums 12 definieren. Zweckmäßig ist dabei eine möglichst kurze Verweilzeit, um die Stickoxidproduktion zu hemmen. Vorzugsweise erfolgt die Auslegung der erfindungsgemäßen Brennkammer 3 so, dass die Verweilzeit der Gasströmung im Vorbrennraum 13 kleiner ist als eine Verweilzeit der Gasströmung im Nachbrennraum 14. Beispielsweise kann die Verweilzeit im Vorbrennraum 13 etwa halb so groß sein wie im Nachbrennraum 14. Ebenso kann das Verhältnis der Verweilzeiten im Vorbrennraum 13 und im Nachbrennraum 14 kleiner als 1 :2 sein. Beispielsweise ist die Verweilzeit im Vorbrennraum 13 kleiner als 5 ms, während die Verweilzeit im Nachbrennraum 14 etwa 10 ms betragen.
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist der Vorbrennraum 13 ringförmig ausgestaltet, also insbesondere nach Art einer Ringbrennkammer. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, den Vorbrennraum 13 nach Art einer Büchsenbrennkammer auszugestalten. Im Unterschied dazu ist der Nachbrennraum 14 hier ebenfalls nach Art einer Ringbrennkammer ausgestaltet, so dass er sich ringförmig erstreckt. Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist die Brennkammer 3 außerdem mit wenigstens einem, vorzugsweise mit mehreren Vormischbrennem 15 ausgestattet, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind und daher nicht näher erläutert werden müssen.
Die erste Leitschaufelreihe 4 kann aus einem hochtemperaturfesten Material bestehen, z. B. aus einer Keramik, so dass grundsätzlich auf eine zusätzliche Kühlung der ersten Leitschaufelreihe 4 verzichtet werden kann. Jedoch ist eine Kühlung der ersten Leitschaufelreihe 4 möglich. Beispielsweise kann ein geschlossenes Kühlsystem vorgesehen sein, bei dem die Kühlung der einzelnen Leitschaufeln der ersten Leitschaufelreihe 4 intern, also ohne Ausblasung des Kühlgases in die Heißgasströmung erfolgt. Beispielsweise kann bei einem derartigen geschlossenen Kühlsystem das jeweilige Kühlgas, z. B. Dampf oder Luft, nach dem Kühlen der ersten Leitschaufelreihe 4 stromauf der Brennkammer 3 einem Hauptluftmassenstrom beigemischt werden. Hierdurch kann der energetische Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage 1 verbessert werden.
Alternativ kann die erste Leitschaufelreihe 4 auch mit einem offenen Kühlsystem gekühlt werden, bei dem es zu einer Ausblasung des Kühlgases in die Gasströmung kommt. Bekannt sind konventionelle offene Kühlsysteme mit Filmkühlung und/oder oberflächenbedeckender Kühlgasausblasung an einer Anströmkante der Leitschaufelprofile. Ebenso ist eine Prallkühlung bekannt, welche die Leitschaufeln im Inneren mit Kühlgas beaufschlagt. Ein offenes Kühlsystem führt durch seine Kühlgasausblasung in die Heißgasströmung zu einer zusätzlichen Temperaturabsenkung im Nachbrennraum 14. Im Unterschied dazu resultiert die reduzierte Temperatur im Nachbrennraum 14 bei einem geschlossenen Kühlsystem im wesentlichen ausschließlich aus der Strömungsumlenkung an bzw. in der ersten Leitschaufelreihe 4. Falls die zusätzliche Temperaturabsenkung, die durch die Verwendung eines offenen Kühlsystems im Nachbrennraum 14 auftritt, zu groß ausfällt, kann bei einer speziellen Ausführungsform vorgesehen sein, die erste Leitschaufelreihe 4 so auszugestalten, dass damit zusätzlicher Brennstoff in den Nachbrennraum 14 eingebracht werden kann. Zu diesem Zweck ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 die erste Leitschaufelreihe 4 an eine Brennstoffversorgung 16 angeschlossen, die innerhalb der einzelnen Leitschaufeln eine Eindüsung von zusätzlichem Brennstoff in den Nachbrennraum 14 ermöglicht. Die Brennstoffeindüsung kann z. B. an einer Abströmkante der jeweiligen Leitschaufel oder an einer beliebigen anderen geeigneten Stelle des Leitschaufelprofils erfolgen. Durch diese zusätzliche Brennstoffmenge kann die Temperatur im Nachbrennraum 14 erhöht werden, um die unerwünschte Temperaturabsenkung aufgrund des offenen Kühlsystems mehr oder weniger auszugleichen. Es ist klar, dass die Einbringung von zusätzlichem Brennstoff über die erste Leitschaufelreihe 4 in den Nachbrennraum 14 grundsätzlich auch bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform realisierbar ist.
Der Nachbrennraum 14, der im Betrieb der Gasturbinenanlage 1 eine Ausbrandzone enthält, wird vorzugsweise rein konvektiv gekühlt. Zu diesem Zweck werden Brennkammerwände 17 an einer von der Heißgasströmung abgewandten Seite mit einem geeigneten Kühlgas beaufschlagt, das hier außerdem zur Konvektionskühlung des Vorbrennraums 13 genutzt wird. Wie oben erwähnt, wird der Nachbrennraum 14 zweckmäßig nach Art einer Ringbrennkammer ausgestaltet, was zu einer möglichst kleinen zu kühlenden Oberfläche führt. Des Weiteren würde die Ausführung des Nachbrennraums 14 als Büchsenbrennkammer zu Störungen führen, da der Austritt des Nachbrennraums 14 unmittelbar zur ersten Laufschaufelreihe 5 führt. Die Kühlgasströmung zur Konvektionskühlung des Nachbrennraums 14 sowie des Vorbrennraums 13 ist in den Figuren jeweils durch Pfeile 19 symbolisiert.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich die erste Leitschaufelreihe 4 etwa auf demselben mittleren Radius 18, der bezüglich einer Rotationsachse 20 des Rotors 10 gemessen wird, wie die erste Laufschaufelreihe 5 bzw. wie die anderen Schaufelreihen 5 bis 9.
Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 die erste Leitschaufelreihe 4 auf einem größeren mittleren Radius 18 angeordnet als die erste Laufschaufelreihe 5 bzw. als die anderen Schaufelreihen 5 bis 9. Dabei ist der mittlere Radius 18 der ersten Leitschaufel 4 deutlich größer, zumindest jedoch 5 % größer als der mittlere Radius 18 der ersten Laufschaufel 5.
Durch den Versatz der ersten Leitschaufelreihe 4 nach radial außen gegenüber der ersten Laufschaufelreihe 5 dient der Nachbrennraum 14 quasi als Übergang von der ersten Leitschaufelreihe 4 zur ersten Laufschaufelreihe 5. Dieser Übergang kann axial verkürzt werden, indem der Nachbrennraum 14 unmittelbar stromab der ersten Leitschaufelreihe 4 wie in Fig. 2 aufgeweitet und unmittelbar stromauf der ersten Laufschaufelreihe 5 wieder verengt wird. Insgesamt kann dadurch der erforderliche Bauraum reduziert werden. Des Weiteren führt die Drallerhaltung bei gleichbleibender Axialgeschwindigkeit dazu, dass die Umfangsgeschwindigkeit reziprok proportional zum mittleren Radius 18 anwächst. Der von der ersten Leitschaufelreihe 4 zur ersten Laufschaufelreihe 5 abnehmende mittlere Radius 18 führt somit zu einem entsprechenden Anstieg der Umfangsgeschwindigkeit.
Das Verhältnis von Axialgeschwindigkeit zu Umfangsgeschwindigkeit korreliert mit dem Strömungswinkel bzw. mit der Umlenkung. Durch die radial nach außen versetzte Anordnung der ersten Leitschaufelreihe 4 kann somit durch die Strömung im Nachbrennraum 14 eine zusätzliche Umlenkung erzielt werden. Zum einen korrelieren die Strömungsverluste an der ersten Leitschaufelreihe 4 mit der dort erzielten Strömungsumlenkung; je größer die Strömungsumlenkung, desto größer sind die Strömungsverluste. Zum anderen hängt die Wärmeübertragung nahezu proportional von der Strömungsgeschwindigkeit ab, so dass eine reduzierte Strömungsgeschwindigkeit zu einem kleineren Wärmeübergang führt. Diese Erkenntnisse lassen sich nun bei der Auslegung der ersten Leitschaufelreihe 4 gezielt berücksichtigen.
Einerseits ist es grundsätzlich möglich, die zusätzliche Umlenkung, die im Nachbrennraum 14 aufgrund des größeren mittleren Radius 18 der ersten Leitschaufelreihe 4 entsteht, durch eine entsprechende Reduzierung der Umlenkung in der ersten Leitschaufelreihe 4 zu kompensieren. Auf diese Weise kann der mit der Strömungsumlenkung einhergehende Strömungswiderstand an der ersten Leitschaufelreihe 4 entsprechend reduziert werden. Andererseits kann die Strömungsumlenkung in der ersten Leitschaufelreihe 4 gleich groß gewählt werden wie in der ersten Laufschaufelreihe 5, was dazu führt, dass die Strömungsgeschwindigkeit an der ersten Leitschaufelreihe 4 entsprechend der Zunahme des mittleren Radius 18 abnimmt. Die reduzierte Strömungsgeschwindigkeit führt zu einer entsprechend reduzierten Wärmeübertragung zwischen der Heißgasströmung und der ersten Leitschaufelreihe 4, wodurch sich der Kühlbedarf für die erste Leitschaufelreihe 4 entsprechend reduziert. Insbesondere kann dann die Verwendung eines geschlossenen Kühlsystems ausreichend sein oder im Extremfall sogar auf eine Kühlung verzichtet werden. Es ist klar, dass grundsätzlich auch Mischformen der vorgenannten extremen Auslegungsvarianten möglich sind.
Die Strömungsumlenkung bei der ersten Laufschaufelreihe 5 bezieht sich dabei auf die effektive Strömungsumlenkung.
Bezugszeichenliste
Gasturbinenanlage
Turbine
Brennkammer erste Leitschaufelreihe erste Laufschaufelreihe zweite Leitschaufelreihe dritte Leitschaufelreihe zweite Laufschaufelreihe dritte Laufschaufelreihe
Rotor
Stator
Brennraum
Vorbrennraum
Nachbrennraum
Vormischbrenner
Brennstoffversorgung
Brennraumwand mittlerer Radius
Kühlgasströmung
Rotationsachse von 10

Claims

Patentansprüche
1. Gasturbinenanlage, insbesondere für eine Kraftwerksanlage, mit einer Brennkammer (3) und mit einer Turbine (2), die zumindest eine erste Leitschaufelreihe (4) und eine erste Laufschaufelreihe (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschaufelreihe (4) in die Brennkammer (3) integriert ist.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschaufelreihe (4) in einem Brennraum (12) der Brennkammer (3) angeordnet ist, derart, dass die erste Leitschaufelreihe (4) den Brennraum (12) in einen Vorbrennraum (13) und einen Nachbrennraum (14) unterteilt.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschaufelreihe (4) im Brennraum (12) so positioniert ist, dass sich im Betrieb der Gasturbinenanlage (1) im Vorbrennraum (13) eine
Stabilisierungszone und/oder eine stationäre Flammenfront der
Verbrennungsreaktion befindet und/oder dass sich im Betrieb der Gasturbinenanlage (1) im Vorbrennraum (13) eine
Verweilzeit einstellt, die kleiner ist als eine Verweilzeit im Nachbrennraum
(14) und/oder dass im Betrieb der Gasturbinenanlage (1 ) im Vorbrennraum (13) eine
Umsetzung von mindestens 30 % des Brennstoffs erfolgt.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorbrennraum (13) nach Art einer Ringbrennkammer oder nach Art einer Büchsenbrennkammer ausgestaltet ist, während der Nachbrennraum (14) nach Art einer Ringbrennkammer ausgestaltet ist.
5. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Nachbrennraum (14) unmittelbar stromab der ersten Leitschaufelreihe (4) aufweitet und unmittelbar stromauf der ersten Laufschaufelreihe (5) wieder verengt.
6. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschaufelreihe (4) zum Einbringen von zusätzlichem Brennstoff in den Nachbrennraum (14) ausgestaltet und an eine Brennstoffversorgung (16) angeschlossen ist.
7. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschaufelreihe (4) auf einem größeren oder mindestens 5 % größeren mittleren Radius (18) angeordnet ist als die erste Laufschaufelreihe (5).
8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschaufelreihe (4) und die erste Laufschaufelreihe (5) so ausgestaltet sind, dass eine Strömungsumlenkung an der ersten Leitschaufelreihe (4) kleiner ist als eine effektive Strömungsumlenkung an der ersten Laufschaufelreihe (5), oder dass die erste Leitschaufelreihe (4) und die erste Laufschaufelreihe (5) so ausgestaltet sind, dass eine Strömungsumlenkung an der ersten Leitschaufelreihe (4) gleich groß ist wie eine effektive Strömungsumlenkung an der ersten Laufschaufelreihe (5).
9. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschaufelreihe (4) im Betrieb der Gasturbinenanlage (1 ) zumindest teilweise mit einem offenen Kühlsystem, das mit Kühlgasausblasung arbeitet, oder mit einem geschlossenen Kühlsystem gekühlt ist.
10. Brennkammer für eine Gasturbinenanlage (1), dadurch gekennzeichnet, dass in die Brennkammer (3) eine erste Leitschaufelreihe (4) einer Turbine (2) der Gasturbinenanlage (1) integriert ist.
11. Brennkammer nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale wenigstens eines der Ansprüche 2 bis 9.
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