WO2013064383A1 - Brennkammer für eine gasturbine und brenneranordnung - Google Patents

Brennkammer für eine gasturbine und brenneranordnung Download PDF

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WO2013064383A1
WO2013064383A1 PCT/EP2012/070783 EP2012070783W WO2013064383A1 WO 2013064383 A1 WO2013064383 A1 WO 2013064383A1 EP 2012070783 W EP2012070783 W EP 2012070783W WO 2013064383 A1 WO2013064383 A1 WO 2013064383A1
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combustion chamber
fuel
combustion
air supply
stepped
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PCT/EP2012/070783
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French (fr)
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Christian Beck
Olga Deiss
Werner Krebs
Bernhard Wegner
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Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • 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
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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
    • 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 combustion chamber for a gas turbine having at least one combustion zone and at least one burner arrangement for combustion of a fuel / air mixture, wherein the burner arrangement comprises at least one premix passage opening into the combustion zone for providing a fuel / air mixture.
  • Mixture comprises, and merges into the premix ⁇ passage enclosed by the burner assembly air supply and at least one fuel supply.
  • the invention also relates to a gas turbine with such a combustion chamber and to a burner assembly.
  • Known gas turbines comprise, in addition to an initially mentioned combustion chamber, a compressor and a turbine.
  • the compressor compresses the gas supplied to the gas turbine, a portion of this air is used to burn fuel in the combustion chamber and a part is used to cool the gas turbine and / or the combustion gases.
  • the provided by the combustion ⁇ process in the combustion chamber hot gases are introduced from the combustion chamber into the turbine, where they relax in this and cool and thereby put under the power of labor turbine blades in rotation. By means of this rotational energy, the gas turbine drives a Häma ⁇ machine. When working machine beispielswei ⁇ se, it may be a generator.
  • said at least one burner assembly ready rack ⁇ te fuel / air mixture is pre-mixed in a Vormischpassage the minimum quantity to be then ignited after introduction into the combustion zone.
  • the premixing of the fuel with the air reduces the pollutant emissions produced during the combustion, in contrast to the previously customary direct injection of the fuel into the combustion zone.
  • a disadvantage of the premix of the fuel is much more susceptible to the formation of combustion chamber pressure fluctuations. If there is pressure fluctuations in the combustion zone, also arise fluctuations in concentration in the fuel / air mixture in the Vormischpassage which result in the combustion to heat control ⁇ reduction fluctuations.
  • thermoacoustic instabilities in turn increase the combustion chamber pressure fluctuations, wherein there are preferred frequencies in the arrangement for these alsschaukelnden combustion chamber pressure fluctuations.
  • concentration fluctuations in the fuel / air mixture ie temporal variations in the air-fuel mixture ratio ⁇ can also be referred to with Heiliereschwankept.
  • the air number fluctuations result from different acoustic resistances of the air supply and fuel supply.
  • known gas turbines comprise resonators arranged in the housing. Since the resonators are directly adjacent to the combustion zone and also interrupt a heat shield arrangement in the housing and therefore have to be cooled, such a design of the combustion chamber is expensive.
  • An alternative embodiment of a known combustion chamber provides for suppression of such combustion chamber pressure fluctuations that the fuel nozzles opening into the premix passage are distributed along the premix passage in the axial direction, so that mixing zones with different delay times are formed in the premix passage.
  • This staged design of the fuel supply makes it possible to mitigate the variations in concentration in the fuel injected by the fuel supply caused by the combustion chamber pressure fluctuation.
  • the fuel nozzles may also be referred to as exhaust ports of the fuel supply.
  • the object of the invention is to provide a combustion chamber of the type mentioned and a gas turbine with such a combustion chamber and a burner arrangement comprising such a combustion chamber, which allows a particularly effective Dämp ⁇ tion of combustion chamber pressure fluctuations.
  • the object is achieved according to the invention in a combustion chamber of the type mentioned above in that the air supply is stepped, so that different delay times can be assigned in the Vormischpassage mün ⁇ denden outlet openings of the stepped air supply.
  • the stepped air supply comprises opening into the Vormischpassage outlet openings, which difference ⁇ Liche delay times are assigned.
  • the stepped air supply may further comprise further outlet openings, which redundant delay times can be assigned.
  • the delay time can also be referred to as convective time delay. It is determined from the time it takes for a fluid element entering the premix passage to escape combustion. ne to arrive.
  • the outlet openings can also be referred to with outlet openings.
  • the burner assembly may include a pilot burner having a premix passage with a pilot burner lance centrally disposed therein, the pilot burner lance connected to a fuel supply and including fuel nozzles.
  • the premix passage of the pilot burner opens an air supply.
  • a plurality of main mixers included in the burner assembly can be arranged.
  • Each of the main mixers may comprise a premix passage, which is enclosed by a cylindrical housing, into which an air feed opens and in which a lance with fuel nozzles connected to a fuel feed is arranged axially.
  • the lance can be supported on the housing, for example via swirl blades .
  • at least one of the premix passages in the exemplified burner arrangement comprises a stepped air supply.
  • Shaped main mixer be formed by the spin show ⁇ feln form in the Vormischpassage opening air outlet openings, which different delay times can be assigned. These can preferably be chosen such that cancel or weaken each other at least in the frequency range of a preferred combustion chamber pressure fluctuation caused by this density fluctuations in the supplied air by means of the different delay times of the air outlet openings.
  • An advantageous development of the invention may provide that an additional opening into the Vormischpassage and pressurized with gaseous fuel fuel supply is also formed ge ⁇ ranks to the step-formed air supply.
  • the gaseous fuel also has a high compressibility compared to air, can be through the additional grading of gaseous fuel can be more effectively damped act on fuel supply caused by fluctuations in the combustion chamber pressure fluctuations in concentration and density of the flowing from the Vormischpassage in the combustion zone fuel / air mixture.
  • the premix passage comprises more than one fuel feedstock that can be supplied with gaseous fuel, one or more of these fuel feeds which can be acted upon by gaseous fuel can be designed in a stepped manner.
  • delay times can be assigned to the outlet openings of the stepped feed, wherein for a minimum delay time x mn and a maximum delay time ⁇ u max with respect to a combustion chamber pressure fluctuation of the frequency f to be suppressed: ⁇ u max -T m i n > 1 / f.
  • the staged feeder is the staged air supply. If further feeds leading into the premix passage are formed in a stepped manner, the condition can also apply to these feeds.
  • the specified in the condition of minimum and maximum Ver ⁇ yakszeit refers to the shortest and the longest of the delay times that are associated with the outlet of a feeder.
  • outlet openings of the stepped feed opening into the premix passage are arranged such that density fluctuations caused by at least one preferred combustion chamber pressure fluctuation of the frequency f in the fluid supplied through the outlet openings in the premix passage due to the outlet openings different types of superimpose train times so that they essentially cancel each other out.
  • the burner arrangement is arranged in the region of a second axial stage with at least one premix passage opening into the combustion zone, the combustion zone following downstream of a first combustion zone with a first burner arrangement.
  • thermoacoustic instabilities By means of a second axial stage, the heat release over the entire available combustion chamber can be further distributed, so that the tendency of the combustion system to thermoacoustic instabilities is further reduced.
  • a preferred embodiment of the invention may provide that the burner arrangement comprises a fuel distributor ring arranged outside around a combustion chamber housing and a multiplicity of premix passage, wherein the premix passages open into the combustion zone with their one end into the combustion chamber and with at least one of the fuel distributor ring branching fuel supply correspond, at least along one of the premixing say outlet openings of a stepped air supply are distributed.
  • This stepped air supply to at least one Vormischpas ⁇ say the burner arrangement of the second axial step is particularly simple in equipment to realize.
  • the premixing passages may, for example, have a tubular design, wherein the situation of the air outlet openings along the premixing passages or the corresponding delay times relative thereto may be adaptable to the frequency of the combustion chamber pressure fluctuations to be suppressed.
  • the tubular Pre-mixing passage made of an elastic material whose length - and thus also the corresponding to the outlet openings delay times - is adaptable to a frequency to be suppressed.
  • Another object of the invention is to provide a gas turbine with at least one combustion chamber mentioned above, which allows a particularly effective damping of combustion ⁇ chamber pressure fluctuations.
  • the gas turbine on at least one combustion chamber, which is designed according to one of claims 1 to 4.
  • Another object of the invention is to provide a encompassed by the initially mentioned combustion chamber burner assembly, which allows a particularly effective damping of internal ⁇ chamber pressure fluctuations.
  • the burner assembly is part of the combustion chamber according to one of claims 1 to 4.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a gas turbine according to the prior art
  • FIG. 2 shows a detail of a combustion chamber with second axial stage according to an embodiment of the invention in a schematic sectional view
  • 3 shows a detailed view of that shown in FIG
  • Embodiment in the region of the stepped air ⁇ supply in a schematic sectional view. 1 shows a schematic sectional view of a gas turbine 1 ⁇ according to the prior art.
  • the gas turbine 1 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 2 rotor 3 with a shaft 4, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner which is also referred to as a turbine runner.
  • the combustion system 9 communicates with an beispielswei ⁇ se annular hot gas duct.
  • Each Turbi ⁇ nenage is formed of blade rings. Viewed in the flow direction of a working medium follows in the hot runner formed by a number 17 vanes row formed from blades 18 row.
  • the guide vanes 17 are secured to an inner housing of a stator 19 while the rotor blades 18 ⁇ a number, for example, by means of a Turbi ⁇ nenrace on the rotor 3 are attached.
  • Coupled to the rotor 3 is, for example, a generator (not shown).
  • the combustion chamber 20 has a combustion chamber housing 21, which is rotationally symmetrical about an axis 22.
  • a first combustion ⁇ zone 23 and a second combustion zone 24 In the combustion chamber housing 21 is a first combustion ⁇ zone 23 and a second combustion zone 24, wherein the second combustion zone 24 downstream - with respect to a flow direction Hauptströ ⁇ 26 - following the first combustion zone 23rd
  • the combustion chamber 20 comprises a first burner array (not shown) and a second burner assembly 28 to the Burn ⁇ voltage of a fuel / air mixture into the secondary combustion zone 24.
  • the second burner assembly 28 includes an opening into the second combustion zone 24 Vormischpassage 29 to provide a fuel / air mixture, wherein in the Vormischpassage 29 includes an included from the second burner assembly 28 air supply 32 and a fuel supply 33, wherein the air supply 32 is stepped, so that the opening into the Vormischpassage 29 outlet ⁇ openings 34 of the stepped air supply 32 different delay times can be assigned.
  • the second burner arrangement 28 is thus arranged in the region of a second axial step.
  • Comprises the second burner assembly 28 includes an externally around the combustion chamber housing 21 around at ⁇ subordinate fuel manifold ring 36 and a plurality of Vormischpassagen 29, wherein the Vormischpassagen 29 into open at one end 37 to the combustor casing 21 in the second combustion zone 24 and respectively with one of the Fuel distributor ring 36 branching fuel supply 33 correspond, wherein along at least one of the Vormischpassagen 29 outlet openings 34 of a stepped air supply 32 are arranged distributed.
  • each of the premixing say 29 of the second burner assembly 28 have a stepped air supply 32.
  • the fuel injected into the premix passage 29 through the fuel feeder 33 mixes with the air entering the premix passage 29 through the discharge ports 34, so that a fuel / air mixture flows in the flow direction 39 along the premix passage.
  • An air volume exiting from an outlet opening 34 will mix with the fuel and, depending on the position of the outlet opening 34, will require a period of time to enter the
  • This period of time is referred to as the delay time and is determined by the time it takes for a fluid element entering the premix passage to reach the combustion zone.
  • the outlet openings 34 arranged along the premix passage 29 correspond with different delay times due to their different arrangement in the premix passage 29. Each of the outlet openings 34 in the premix passage 29 can thus be assigned different delay times.
  • FIG. 3 shows a detailed view of Darge in Figure 2 ⁇ presented combustion chamber according to an embodiment under the second burner assembly of a second axial step. Shown is a section of the
  • Combustor housing 21 which is a first combustion zone
  • the tube-shaped Vormischpas ⁇ say 29 opens a fuel supply 33 for injecting fuel 35 into the Vormischpassage 29 and a Heilzuker- tion 32 which is stepped.
  • the step-out ⁇ formed air supply 32 includes in the Vormischpassage 29 opening into outlet openings 34a, 34b, 34c for supplying air 40, wherein the outlet openings 34a, 34b, 34c sub- different delay times x lr x 2 , 1 3, are assignable.
  • the position of the outlet openings 34a, 34b and 34c can advantageously be selected such that ii-X3> 1 / f.
  • the density fluctuations of the air caused by the combustion chamber pressure fluctuation of the frequency f in the outlet openings can be superimposed upon ignition of the fuel / air mixture in the second combustion zone 24 due to the different delay times x lr x 2 , 1 3 such that these density fluctuations essentially cancel each other out.
  • the combustion chamber pressure fluctuation of the frequency f may be a combustion chamber pressure fluctuation which can preferably be excited on account of the design of the combustion chamber. This can also be referred to with preferential combustion chamber pressure fluctuation.
  • a further development of the illustrated embodiment can also Vorse ⁇ hen, is excluded that the fuel supply 33 is also stepped (not shown here).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer (10, 20) für eine Gasturbine (1) mit mindestens einer Verbrennungszone (23, 24) und mindestens einer Brenneranordnung (11, 28) zur Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in der Verbrennungszone (23, 24), wobei die Brenneranordnung (11,28) mindestens eine in die Verbrennungszone (23, 24) mündende Vormischpassage (29) zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches umfasst, und in die Vormischpassage (29) eine von der Brenneranordnung (11, 28) umfasste Luftzuführung (32) und mindestens eine Brennstoffzuführung (33) einmündet. Die Brennkammer ermöglicht eine besonders effektive Dämpfung von Brennkammerdruckschwankungen. Hierzu ist die Luftzuführung (32) gestuft ausgebildet ist, so dass in die Vormischpassage (29) mündenden Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) der gestuften Luftzuführung unterschiedliche Verzugszeiten (τ1, τ2, τ3) zuordenbar sind.

Description

Beschreibung
Brennkammer für eine Gasturbine und Brenneranordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für eine Gasturbine mit mindestens einer Verbrennungszone und mindestens einer Brenneranordnung zur Verbrennung eines Brennstoff/Luft- Gemisches, wobei die Brenneranordnung mindestens eine in die Verbrennungszone mündende Vormischpassage zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches umfasst, und in die Vormisch¬ passage eine von der Brenneranordnung umfasste LuftZuführung und mindestens eine BrennstoffZuführung einmündet.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer und auf eine Brenneranordnung.
Bekannte Gasturbinen umfassen neben einer eingangs genannten Brennkammer einen Verdichter und eine Turbine. Der Verdichter verdichtet die der Gasturbine zugeführte Luft, wobei ein Teil dieser Luft der Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer dient und ein Teil zur Kühlung der Gasturbine und/oder der Verbrennungsgase verwendet wird. Die durch den Verbrennungs¬ vorgang in der Brennkammer bereitgestellten heißen Gase werden aus der Brennkammer in die Turbine eingeleitet, wobei sie in dieser entspannen und abkühlen und hierbei unter Leistung von Arbeit Turbinenschaufeln in Rotation versetzen. Mittels dieser Rotationsenergie treibt die Gasturbine eine Arbeitsma¬ schine an. Bei der Arbeitsmaschine kann es sich beispielswei¬ se um einen Generator handeln.
Das durch die mindestens eine Brenneranordnung bereitgestell¬ te Brennstoff/Luft-Gemisch wird in der mindestens einen Vormischpassage vorgemischt, um dann nach dem Einströmen in die Verbrennungszone gezündet zu werden. Die Vormischung des Brennstoffs mit der Luft reduziert die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffemissionen im Gegensatz zu der früher üblichen direkten Eindüsung des Brennstoffs in die Verbrennungszone. Nachteilig an der Vormischung des Brennstoffs ist allerdings, dass diese Anordnung wesentlich anfälliger für die Ausbildung von Brennkammerdruckschwankungen ist. Kommt es zu Druckschwankungen in der Verbrennungszone, entstehen auch Konzentrationsschwankungen in dem Brennstoff/Luft-Gemisch in der Vormischpassage, welche bei der Verbrennung zu Wärmefrei¬ setzungsfluktuationen führen. Diese thermoakustischen Instabilitäten wiederum verstärken die Brennkammerdruckschwankungen, wobei es in der Anordnung Vorzugsfrequenzen für diese sich aufschaukelnden Brennkammerdruckschwankungen gibt. Die Konzentrationsschwankungen im Brennstoff/Luft-Gemisch, also zeitliche Variationen im Luft-Brennstoff-Mischungsverhältnis¬ können auch mit LuftZahlschwankungen bezeichnet werden. Die LuftZahlschwankungen resultieren aus unterschiedlichen akustischen Widerständen der LuftZuführung und BrennstoffZuführung. Zur Dämpfung der Brennkammerdruckschwankungen umfassen bekannte Gasturbinen im Gehäuse angeordnete Resonatoren. Da die Resonatoren unmittelbar an die Verbrennungszone angrenzen und zudem eine Hitzeschildanordnung in dem Gehäuse unterbrechen und deshalb gekühlt werden müssen, ist eine derartige Ausbildung der Brennkammer aufwendig. Eine alternative Aus¬ bildung einer bekannten Brennkammer sieht zur Unterdrückung derartiger Brennkammerdruckschwankungen vor, dass die in die Vormischpassage einmündenden Brennstoffdüsen entlang der Vormischpassage in axialer Richtung verteilt angeordnet sind, so dass sich Mischzonen mit unterschiedlichen Verzugszeiten in der Vormischpassage ausbilden. Diese gestufte Ausführung der BrennstoffZuführung ermöglicht es, die durch die Brennkammerdruckschwankung hervorgerufenen Konzentrationsschwankungen in dem durch die BrennstoffZuführung eingedüsten Brennstoffs abzumildern. Die Brennstoffdüsen können auch mit Auslassöffnungen der BrennstoffZuführung bezeichnet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer der eingangs genannten Art und eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer sowie eine von einer solchen Brennkammer umfasste Brenneranordnung anzugeben, welche eine besonders effektive Dämp¬ fung von Brennkammerdruckschwankungen ermöglicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die LuftZuführung gestuft ausgebildet ist, so dass in die Vormischpassage mün¬ denden Auslassöffnungen der gestuften LuftZuführung unterschiedliche Verzugszeiten zuordenbar sind.
Durch die bekannte BrennstoffZuführung mit entlang der Vormischpassage in axialer Richtung verteilt angeordneten Brennstoffdüsen lassen sich zwar durch Brennkammerdruckschwankungen hervorgerufene Schwankungen in der Brennstoffmenge aus¬ gleichen, die dem Luftstrom entlang der Vormischpassage beigemischt wird. Diese bekannte Stufung vermag aber nicht auf¬ grund der unterschiedlichen akustischen Widerstände der Luft und des Brennstoffs den Brennstoff so in den Luftstrom einzu- düsen, dass ein konstantes Verhältnis von Brennstoff und Luft sowie eine konstante Brennstoffmenge pro Zeit aus der Vor¬ mischpassage aus- und in die Verbrennungszone eintritt. Er¬ findungsgemäß wird deshalb zur Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen und damit auch von Wärmefreisetzungsfluktu¬ ationen vorgeschlagen, die in die Vormischpassage einmündende LuftZuführung gestuft auszubilden und somit die durch Brennkammerdruckschwankungen hervorgerufenen Dichteschwankungen im die Vormischpassage passierenden Luftstrom abzumildern. Aufgrund der hohen Kompressibilität der Luft im Vergleich zu beispielsweise flüssigem Brennstoff und dem geringeren Druck in der Luftzufuhrleitung im Vergleich zu dem Druck in der Brennstoffzufuhrleitung ist dies zur Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen besonders effektiv.
Erfindungsgemäß umfasst die gestufte Luftzuführung in die Vormischpassage mündende Auslassöffnungen, denen unterschied¬ liche Verzugszeiten zuordenbar sind. Die gestufte Luftzuführung kann darüber hinaus weitere Auslassöffnungen umfassen, denen redundante Verzugszeiten zuordenbar sind. Die Verzugszeit kann auch mit konvektiver Zeitverzug bezeichnet werden. Sie bestimmt sich aus der Zeit, die ein in die Vormischpassa¬ ge eintretendes Fluidelement benötigt, um zur Verbrennungszo- ne zu gelangen. Die Auslassöffnungen können auch mit Austrittsöffnungen bezeichnet werden.
Die Brenneranordnung kann beispielsweise einen Pilotbrenner mit einer Vormischpassage mit zentral in dieser angeordneten Pilotbrennerlanze umfassen, wobei die Pilotbrennerlanze mit einer Brennstoffzufuhr verbunden ist und Brennstoffdüsen um- fasst. In die Vormischpassage des Pilotbrenners mündet eine LuftZuführung . Um den Pilotbrenner herum kann eine von der Brenneranordnung umfasste Vielzahl an Hauptmischern angeordnet sein. Jeder der Hauptmischer kann eine von einem zylinderförmigen Gehäuse umfasste Vormischpassage aufweisen, in welche eine LuftZuführung einmündet und in welcher axial eine mit einer Brennstoffzufuhr verbundene Lanze mit Brennstoffdü- sen angeordnet ist. Die Lanze kann beispielsweise über Drall¬ schaufeln an dem Gehäuse abgestützt sein. Erfindungsgemäß um- fasst bei der beispielhaft angegebenen Brenneranordnung mindestens eine der Vormischpassagen eine gestufte Luftzuführung. Beispielsweise kann jeweils die LuftZuführung der
Hauptmischer gestuft ausgebildet sein, indem die Drallschau¬ feln in die Vormischpassage einmündende Luftauslassöffnungen ausbilden, denen unterschiedliche Verzugszeiten zuordenbar sind. Diese können vorzugsweise so gewählt sein, dass sich zumindest im Frequenzbereich einer Vorzugs-Brennkammerdruck- Schwankung durch diese hervorgerufene Dichteschwankungen in der zugeführten Luft mittels der unterschiedlichen Verzugszeiten der Luftauslassöffnungen gegenseitig aufheben bzw. abschwächen . Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass zusätzlich zu der gestuft ausgebildeten LuftZuführung eine in die Vormischpassage einmündende und mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbare BrennstoffZuführung ebenfalls ge¬ stuft ausgebildet ist.
Da der gasförmige Brennstoff im Vergleich zu Luft ebenfalls eine hohe Kompressibilität aufweist, lassen sich durch die zusätzliche Stufung der mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbaren BrennstoffZuführung durch Brennkammerdruckschwankungen hervorgerufene Schwankungen in Konzentration und Dichte des aus der Vormischpassage in die Verbrennungszone strömenden Brennstoff/Luft-Gemisches noch effektiver dämpfen. Sofern die Vormischpassage mehr als eine mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbare BrennstoffZuführungen umfasst, kann eine oder mehrere dieser mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbaren BrennstoffZuführungen gestuft ausgebildet sein .
Vorteilhafter Weise kann weiter vorgesehen sein, dass den Auslassöffnungen der gestuften Zuführung Verzugszeiten zuor- denbar sind, wobei für eine minimale Verzugszeit xm n und eine maximale Verzugszeit ~umax in Bezug auf eine zu unterdrückende Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f gilt: ~umax -Tmin > 1/f .
Durch die Bedingung ist gewährleistet, dass zumindest im Fre¬ quenzbereich der zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung durch diese hervorgerufene Dichteschwankungen in dem durch die gestufte Zuführung zugeführten Fluid effektiv abgeschwächt werden. Bei der gestuften Zuführung handelt es sich um die gestufte LuftZuführung . Sofern noch weiterer in die Vormischpassage einmündende Zuführungen gestuft ausgebildet sind, kann die Bedingung auch für diese Zuführungen gelten. Die in der Bedingung angegebene minimale und maximale Ver¬ zugszeit bezieht sich auf die kürzeste bzw. die längste der Verzugszeiten, die den Auslassöffnungen einer Zuführung zugeordnet sind.
Es kann auch als vorteilhaft betrachtet werden, dass die in die Vormischpassage einmündenden Auslassöffnungen der gestuften Zuführung derart angeordnet sind, dass durch mindestens eine Vorzugs-Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f hervorgerufene Dichteschwankungen in dem durch die Auslassöffnungen zugeführten Fluid sich in der Vormischpassage aufgrund der den Auslassöffnungen zugeordneten unterschiedlichen Ver- zugszeiten derart überlagern, dass diese sich im Wesentlichen gegenseitig aufheben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Brenneranordnung im Bereich einer zweiten axialen Stufe angeordnet ist mit mindestens einer in die Verbrennungszone einmündenden Vormischpassage, wobei die Verbrennungszone stromab auf eine erste Verbrennungszone mit einer ersten Brenneranordnung folgt.
Mittels einer zweiten axialen Stufe kann die Wärmefreisetzung über den gesamten zur Verfügung stehenden Brennraum weiter verteilt werden, so dass die Neigung des Verbrennungssystems zu thermoakustischen Instabilitäten weiter verringert ist. Zudem ist eine gestufte LuftZuführung zu mindestens einer
Vormischpassage der Brenneranordnung der zweiten axialen Stufe apparativ besonders einfach zu realisieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Brenneranordnung einen außen um ein Brennkammergehäuse herum angeordneten Brennstoffverteilerring und eine Vielzahl an Vormischpassage umfasst, wobei die Vormischpassa- gen mit ihrem einen Ende in das Brennkammergehäuse hinein in die Verbrennungszone münden und mit mindestens einer von dem Brennstoffverteilerring abzweigenden BrennstoffZuführung korrespondieren, wobei mindestens entlang einer der Vormischpas- sagen Auslassöffnungen einer gestuften LuftZuführung verteilt angeordnet sind. Diese gestufte LuftZuführung zu mindestens einer Vormischpas¬ sage der Brenneranordnung der zweiten axialen Stufe ist apparativ besonders einfach zu realisieren. Die Vormischpassagen können beispielsweise schlauchförmig ausgebildet sein, wobei ganz allgemein für die vorliegende Erfindung gilt, dass die Lage der Luftauslassöffnungen entlang der Vormischpassagen bzw. die korrespondierenden Verzugszeiten zu diesen an die Frequenz der zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankungen anpassbar sein können. Beispielsweise kann die schlauchförmi- ge Vormischpassage aus einem elastischen Material bestehen, dessen Länge - und damit auch die zu den Auslassöffnungen korrespondierenden Verzugszeiten - an eine zu unterdrückende Frequenz anpassbar ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine mit mindestens einer eingangs genannten Brennkammer anzugeben, welche eine besonders effektive Dämpfung von Brenn¬ kammerdruckschwankungen ermöglicht .
Hierzu weist die Gasturbine mindestens eine Brennkammer auf, welche nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine von der ein- gangs genannten Brennkammer umfasste Brenneranordnung anzugeben, welche eine besonders effektive Dämpfung von Brenn¬ kammerdruckschwankungen ermöglicht .
Hierzu ist die Brenneranordnung Bestandteil der Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin¬ dung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispie¬ len der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile ver¬ weisen .
Dabei zeigt die Fig.l eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine nach dem Stand der Technik,
Fig.2 einen Ausschnitt einer Brennkammer mit zweiter axialer Stufe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er- findung in einer schematischen Schnittansicht, und Fig.3 eine Detailansicht des in Figur 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels im Bereich der gestuften Luft¬ zuführung in einer schematischen Schnittansicht. Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gas¬ turbine 1 nach dem Stand der Technik. Die Gasturbine 1 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle 4 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 6, ein Verdichter 8, ein Verbrennungssystem 9 mit einer Anzahl an Brennkammern 10, die jeweils eine Brenneranordnung 11 und ein Brennkammergehäuses 12 umfassen, eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse 15. Das Verbrennungssystem 9 kommuniziert mit einem beispielswei¬ se ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 14. Jede Turbi¬ nenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 17 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 18 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 17 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 19 befestigt, wohingegen die Lauf¬ schaufeln 18 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbi¬ nenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ange- koppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 8 durch das Ansauggehäuse 6 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 8 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungssystem 9 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung 11 mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Brenneranord¬ nung 11 unter Bildung eines Arbeitsgasstromes im Verbrennungssystem 9 verbrannt. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 17 und den Laufschaufeln 18 vorbei. An den Laufschaufeln 18 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Lauf- schaufeln 18 den Rotor 3 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt) .
Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer Brennkammer 20 einer Gasturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Brennkammer 20 weist ein Brennkammergehäuse 21 auf, welches rotationssymmetrisch um eine Achse 22 ausgebildet ist. In dem Brennkammergehäuse 21 befindet sich eine erste Verbrennungs¬ zone 23 und eine zweite Verbrennungszone 24, wobei die zweite Verbrennungszone 24 stromab - in Bezug auf eine Hauptströ¬ mungsrichtung 26 - auf die erste Verbrennungszone 23 folgt. Die Brennkammer 20 umfasst eine erste Brenneranordnung (nicht dargestellt) und eine zweite Brenneranordnung 28 zur Verbren¬ nung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in der zweiten Verbren- nungszone 24. Die zweite Brenneranordnung 28 umfasst eine in die zweite Verbrennungszone 24 mündende Vormischpassage 29 zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches , wobei in die Vormischpassage 29 eine von der zweiten Brenneranordnung 28 umfasste Luftzuführung 32 und eine Brennstoffzuführung 33 einmündet, wobei die Luftzuführung 32 gestuft ausgebildet ist, so dass den in die Vormischpassage 29 mündenden Auslass¬ öffnungen 34 der gestuften Luftzuführung 32 unterschiedliche Verzugszeiten zuordenbar sind. Die zweite Brenneranordnung 28 ist somit im Bereich einer zweiten axialen Stufe angeordnet. Die zweite Brenneranordnung 28 umfasst einen außen um das Brennkammergehäuse 21 herum an¬ geordneten Brennstoffverteilerring 36 und eine Vielzahl an Vormischpassagen 29, wobei die Vormischpassagen 29 mit ihrem einen Ende 37 in das Brennkammergehäuse 21 hinein in die zweite Verbrennungszone 24 münden und jeweils mit einer von dem Brennstoffverteilerring 36 abzweigenden Brennstoffzuführung 33 korrespondieren, wobei entlang mindestens einer der Vormischpassagen 29 Auslassöffnungen 34 einer gestuften Luft- Zuführung 32 verteilt angeordnet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung kann jede der Vormischpas- sagen 29 der zweiten Brenneranordnung 28 eine gestufte Luftzuführung 32 aufweisen.
Der durch die BrennstoffZuführung 33 in die Vormischpassage 29 eingedüste Brennstoff vermischt sich mit der durch die Auslassöffnungen 34 in die Vormischpassage 29 eintretenden Luft, so dass ein Brennstoff/Luft-Gemisch in Strömungsrichtung 39 entlang der Vormischpassage strömt. Ein aus einer Auslassöffnung 34 austretendes Luftvolumen wird sich mit dem Brennstoff vermischen und hierbei ausgehend von der Lage der Auslassöffnung 34 eine Zeitdauer benötigen, um in die
Verbrennungszone 24 zu gelangen. Diese Zeitdauer wird mit Verzugszeit bezeichnet und bestimmt sich aus der Zeit, die ein in die Vormischpassage eintretendes Fluidelement benö- tigt, um zur Verbrennungszone zu gelangen. Die entlang der Vormischpassage 29 angeordneten Auslassöffnungen 34 korrespondieren aufgrund ihrer unterschiedlichen Anordnung in der Vormischpassage 29 mit unterschiedlichen Verzugszeiten. Jeder der Auslassöffnungen 34 in der Vormischpassage 29 sind somit unterschiedliche Verzugszeiten zuordenbar.
Die Figur 3 zeigt eine Detailansicht der in Figur 2 darge¬ stellten erfindungsgemäßen Brennkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel im Bereich der zweiten Brenneranordnung einer zweiten axialen Stufe. Dargestellt ist ein Abschnitt des
Brennkammergehäuses 21, welches eine erste Verbrennungszone
23 (teilweise dargestellt) und eine sich an diese stromab¬ wärts anschließende zweite Verbrennungszone 24 (teilweise dargestellt) umschließt, wobei eine von der zweiten Brenner- anordnung umfasste Vormischpassage 29 zur Bereitstellung ei¬ nes Brennstoff/Luft-Gemisches in die zweite Verbrennungszone
24 einmündet. In die schlauchförmig ausgebildete Vormischpas¬ sage 29 mündet eine BrennstoffZuführung 33 zur Eindüsung von Brennstoff 35 in die Vormischpassage 29 und eine Luftzufüh- rung 32, welche gestuft ausgebildet ist. Die gestuft ausge¬ bildete LuftZuführung 32 umfasst in die Vormischpassage 29 mündenden Auslassöffnungen 34a, 34b, 34c zur Zuführung von Luft 40, wobei den Auslassöffnungen 34a, 34b, 34c unter- schiedliche Verzugszeiten x l r x 2 , 1 3 , zuordenbar sind. Bei¬ spielsweise wird ein aus der Auslassöffnung 34a austretendes Luftvolumen sich mit dem durch die BrennstoffZuführung 33 eingedüsten vorbeiströmenden Brennstoff 35 vermischen und hierbei ausgehend von der Lage der Auslassöffnung 34a eine Zeitdauer i i benötigen, um in die zweie Verbrennungszone 24 zu gelangen. Zur Dämpfung bzw. Unterdrückung einer Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f kann die Lage der Auslassöffnungen 34a, 34b und 34c vorteilhafter Weise derart gewählt sein, dass i i - X 3 > 1/f . Die durch die Brennkammerdruck¬ schwankung der Frequenz f in den Auslassöffnungen hervorgerufenen Dichteschwankungen der Luft können sich bei der Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches in der zweiten Verbrennungszone 24 aufgrund der unterschiedlichen Verzugszeiten x l r x 2 , 1 3 , derart überlagern, dass diese Dichteschwankungen sich im Wesentlichen gegenseitig aufheben. Hierzu kann die Anordnung der Auslassöffnungen 34a, 34b, 34c entlang der Vormischpassa- ge 29 entsprechend gewählt werden. Bei der Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f kann es sich um eine aufgrund der Ausgestaltung der Brennkammer bevorzugt anregbare Brennkammerdruckschwankung handeln. Diese kann auch mit Vorzugs- Brennkammerdruckschwankung bezeichnet werden. Eine Weiterbildung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann auch vorse¬ hen, dass die BrennstoffZuführung 33 ebenfalls gestuft ausge- bildet ist (hier nicht dargestellt) .

Claims

Patentansprüche
1. Brennkammer (10,20) für eine Gasturbine (1) mit
- mindestens einer Verbrennungszone (23,24) und
- mindestens einer Brenneranordnung (11,28) zur Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in der Verbrennungszone (23, 24) ,
- wobei die Brenneranordnung (11,28) mindestens eine in die Verbrennungszone (23, 24) mündende Vormischpassage (29) zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches umfasst, und in die Vormischpassage (29) eine von der Brenneranordnung (11, 28) umfasste LuftZuführung (32) und mindestens eine BrennstoffZuführung (33) einmündet, ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die LuftZuführung (32) gestuft ausgebildet ist, so dass in die Vormischpassage (29) mündenden Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) der gestuften LuftZuführung unterschiedliche Verzugszeiten (τι, T2, 13) zuordenbar sind, wobei für eine mini¬ male Verzugszeit τπι±η und eine maximale Verzugszeit ~umax in Be- zug auf eine zu unterdrückende Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f gilt: Tmax -Tmin > 1/f und die in die Vormischpas¬ sage (29) einmündenden Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) der gestuften LuftZuführung (32) derart angeordnet sind, dass durch mindestens eine Vorzugs-Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f hervorgerufene Dichteschwankungen in dem durch die Auslassöffnungen (34a, 34b, 34c) zugeführten Fluid sich in der Vormischpassage (29) aufgrund der den Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) zugeordneten unterschiedlichen Verzugszeiten (τι, τ2, τ3) derart überlagern, dass diese sich im We- sentlichen gegenseitig aufheben.
2. Brennkammer (10,20) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s zusätzlich zu der gestuft ausgebildeten LuftZuführung (32) eine in die Vormischpassage (29) einmündende und mit gasför¬ migem Brennstoff beaufschlagbare BrennstoffZuführung ebenfalls gestuft ausgebildet ist.
3. Brennkammer (10, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Brenneranordnung (28) im Bereich einer zweiten axialen Stufe angeordnet ist mit mindestens einer in die Verbren¬ nungszone (24) einmündenden Vormischpassage (29), wobei die Verbrennungszone (24) stromab auf eine erste Verbrennungszone (23) mit einer ersten Brenneranordnung (11) folgt.
4. Brennkammer (10, 20) nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Brenneranordnung (28) einen außen um ein Brennkammerge- häuse (12, 21) herum angeordneten Brennstoffverteilerring
(36) und eine Vielzahl an Vormischpassage (29) umfasst, wobei die Vormischpassagen (29) mit ihrem einen Ende in das Brennkammergehäuse (12, 21) hinein in die Verbrennungszone (24) münden und mit mindestens einer von dem Brennstoffverteiler- ring (36) abzweigenden BrennstoffZuführung (33) korrespondieren, wobei mindestens entlang einer der Vormischpassagen (29) Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) einer gestuften Luftzuführung (32) verteilt angeordnet sind.
5. Gasturbine (1) mit mindestens einer Brennkammer (10, 20), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s mindestens eine Brennkammer (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
6. Brenneranordnung (28) für eine Gasturbine (1),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s sie Bestandteil der Brennkammer (20) nach einem der Ansprüche
1 bis 4 ist.
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