DE102011052159A1

DE102011052159A1 - Kraftstoffdüse und Kraftstoffdüsenanordnung und damit ausgestatte Gasturbine

Info

Publication number: DE102011052159A1
Application number: DE102011052159A
Authority: DE
Inventors: Christian L. Vandervort; Joel Meier Haynes
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-02-02
Also published as: US20120023952A1; CH703230B1; CH703230A2; JP2012032144A; JP5925442B2; CN102345879A; US9557050B2

Abstract

Es ist eine Düse für Anordnungen und Gasturbinen vorgesehen. Die Düse weist destabilisierenden Flammenhaltercharakteristika auf, das heißt, die Düse ist nicht in der Lage eine Flamme bis zu einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,65 zu stabilisieren. Daraus folgt, dass die durch die Flamme abgegebene Hitze verzögert ist, wodurch geringere Maximalflammentemperaturen und entsprechend geringere NOx-Niveaus erreicht werden. Die Flammenstabilisierungsfähigkeit ist für höhere Äquivalenzverhältnisse beibehalten, um den Betrieb der Brennkammer in anderen Abschnitten des Lastbereichs zu unterstützen.

Description

HINTERGRUND
Die offenbarten Ausführungsbeispiele beziehen sich allgemein auf Gas- und Flüssig-Kraftstoff-Turbinen, die sowohl Rohr-Ring- oder Ring-Verbrennungssysteme und Verfahren zum Betrieb solcher Verbrennungssysteme umfassen.
Routinemäßig wird die Mager-Niedrig-NOx-Technologie (sogenannte „Dry-Low-NOx-Technologie”) zur Beeinflussung der Emissionen bei industriellen Gasturbinen mit gasförmiger Kraftstoffverbrennung und mit Rohr-Ring-Verbrennungssystemen durch Vormischen von Brennstoff und Luft angewandt. Der Hauptvorteil des Vormischens ist das Bereitstellen einer einheitlichen Verbrennungsgeschwindigkeit, was relativ konstante Reaktionszonentemperaturen mit sich bringt. Durch sorgfältige Luftregulierung können diese Temperaturen optimiert werden, um sehr geringe Emissionen von Stickoxiden (NOx), Kohlenstoffmonoxiden (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) zu erzeugen. Die Modulation einer zentralen Vormisch-Kraftstoffdüse kann die Erweiterung des Betriebsbereichs dadurch ermöglichen, dass das Brennstoff-Luft-Verhältnis und entsprechende Reaktionsgeschwindigkeiten der äußeren Düsen relativ konstant gehalten werden, während die Brennstoffzufuhr in die Turbine variiert wird.
Die Brennstoffstufung ist den Fachleuten als Mittel bekannt, um höhere Turbineneinlasstemperaturen mit einheitlicher Wärmeabgabe zu erreichen. Axial gestufte Systeme beinhalten mehrere Ebenen der Brennstoffeinspritzung entlang des Brennkammerströmungspfades. Die Verwendung von axialer Brennstoffstufung erfordert besondere Konstruktionsüberlegungen, um den Brennstoff in die Verbrennungsprodukte mit hoher Temperatur einzuspritzen. Die hohe Temperatur und der Druck in der Umgebung der letzteren Stufen einer axial gestuften Brennkammer haben die Entwicklung von stabilen Konstruktionen, die sich für die gewerbliche Anwendung eignen, verhindert.
Es wäre daher wünschenswert, eine neue Gasturbine mit einer Brennstoffsystemkonfiguration und/oder eine Gasturbine, die ein Verfahren zur Brennstoffstufung verwendet, zu entwickeln, um geringere maximale Brennstofftemperaturen zu erreichen. Für derartige Gasturbinen würde erwartet werden, dass sie entsprechend niedrige NOx- und CO-Emissionen aufweisen. Die Fähigkeit einer neuen Gasturbine einen vergrößerten Betriebsbereich innerhalb solcher „emissionsverträglicher” Regelungen zu bieten, würde weitere Vorteile bereitstellen.
KURZE BESCHREIBUNG
Es wird eine Gasturbinen-Kraftstoffdüse bereitgestellt. Die Kraftstoffdüse hat eine körperliche Beschaffenheit, so dass die Düse nicht in der Lage ist eine Flamme bis zu einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,65 zu stabilisieren.
Ein weiterer Aspekt ist das Bereitstellen einer Anordnung für eine einstufige Gasturbinenbrennkammer. Die Anordnung umfasst eine Anordnung von äußeren Düsen, die um eine zentrale Achse angeordnet sind und eine zentrale Düse, die auf dieser zentralen Achse angeordnet ist, wobei diese zentrale Düse eine körperliche Beschaffenheit aufweist, so dass die zentrale Düse nicht in der Lage ist eine Flamme bis zu einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,65 zu stabilisieren.
Ein weiterer Aspekt ist das Bereitstellen einer Gasturbine, die eine Vielzahl von Brennkammern umfasst. Jede Brennkammer enthält eine Vielzahl von äußeren Brennstoffdüsen, die um eine Längsachse der Brennkammer angeordnet sind, eine zentrale Düse, die im Wesentlichen entlang der Längsachse angeordnet ist und eine einzige Verbrennungszone. Die zentrale Düse ist nicht in der Lage eine Flamme bis zu einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,65 zu stabilisieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch besser verstanden werden, wenn die nachfolgende detaillierte Beschreibung mit Bezug zu der beigefügten Zeichnung gelesen wird, in der gleiche Bezugszeichen durchgängig in der Zeichnung gleiche Teile charakterisieren, wobei:
1 eine Darstellung einer Brennkammerbetriebsfähigkeit oder einer Flammenstabilität für ein Gasturbinenverbrennungssystem ist;
2 eine grafische Darstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Brennstoff und Luft (X-Achse) im Bezug zu den NOx-Niveaus bei 15% O₂ (Y-Achse) ist, die den Vorteil einer späten mageren Verbrennung zeigt;
3 zeigt die Bereiche der Flammenstabilität für ein Vormisch-Verbrennungssystem, wobei der Bereich „1” der Bereich ist, in dem konventionelle Brennstoffdüsen nicht in der Lage sind eine Flamme zu stabilisieren (konventioneller magerer Ausstoß), der Bereich „2” der Bereich ist, in dem die verbesserte Brennstoffdüse nicht in der Lage ist eine Flamme zu stabilisieren (erweiterter magerer Ausstoß) und der Bereich „3” ein Bereich ist, in dem alle Brennstoffdüsen eine Flamme stabilisieren können;
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Rohr-Ring-Brennkammer einer Turbine in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel,
5 ist eine schematische Vorderansicht einer Endabdeckung und einer Brennstoffdüsenanordnung in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel;
6 ist eine schematische Querschnittansicht einer äußeren Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsbeispielen;
7 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel;
8 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel;
9 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel;
10 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel;
11 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel;
12 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel;
13 ist eine schematische Querschnittansicht einer zentralen Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel;
14A ist eine Darstellung von Flammenformen bei einer konventionellen Rohr-Ring-Brennkammer;
14B ist eine Darstellung von Flammenformen für eine Rohr-Ring-Brennkammer in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel; und
14C ist eine Darstellung von Flammenformen für eine Rohr-Ring-Brennkammer in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorstehend kurze Beschreibung beschreibt Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, so dass die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden kann und so dass die vorliegenden Beiträge zum Stand der Technik besser anerkannt werden können. Es gibt selbstverständlich auch weitere Merkmale der Erfindung, die nachfolgend hierin beschrieben werden und die Gegenstand der beigefügten Ansprüche sind.
Vor Beginn der Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail ist in diesem Zusammenhang festzustellen, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung nicht auf Ihre Anwendung hinsichtlich der Einzelheiten der Konstruktion und auf die Anordnung der Komponenten beschränkt sind, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung erläutert oder in der Zeichnung dargestellt ist. Die Erfindung umfasst andere Ausführungsbeispiele und kann auf verschiedene Arten realisiert und ausgeführt werden. Es versteht sich auch, dass die Ausdrucksweise und die Bezeichnungsweise hierin zum Zwecke der Beschreibung verwendet wird und nicht als beschränkend anzusehen ist.
Die Begriffe „erste”, „zweite”, und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, sollen keine Reihenfolge, Menge oder Relevanz beinhalten, sondern werden vielmehr verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Die unbestimmten Artikel (ein, eine, einer, ...) sollen keine Beschränkung auf die Menge beinhalten, sondern vielmehr das Vorhandensein von zumindest einem Gegenstand bezeichnen, auf den sich der unbestimmte Artikel beziehenden. Der Ausdruck „etwa” bei seiner Verwendung mit einer Mengenangabe schließt den angegebenen Wert ein und hat die durch den Zusammenhang bestimmte Bedeutung (zum Beispiel schließt er den Fehlerbereich bei der Messung von einer bestimmten Menge ein). Bei der Verwendung von Begriffen in der Mehrzahl soll sowohl einer oder mehrere der mit dem Begriff bezeichneten Gegenstände umfasst sein.
Die Bezugnahme auf „ein Ausführungsbeispiel” durchgängig durch die Beschreibung, bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder eine Beschaffenheit, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, in wenigstens einem Ausführungsbeispiel enthalten ist. Daher bedeutet das Auftreten des Ausdrucks „in einem Ausführungsbeispiel” an verschiedenen Stellen in der Beschreibung nicht zwingend die Bezugnahme auf dasselbe Ausführungsbeispiel. Ferner können bestimmte Merkmale, Strukturen oder Beschaffenheiten auf irgendeine geeignete Weise in einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Vorgesehen ist eine Brennstoffdüse bzw. eine Brennstoffdüsenanordnung und eine Gasturbine, die die Düse umfasst, und die eine Brennstoffstufung verwendet, um sehr niedrige Emissionen bei gasförmigem Brennstoff zu erreichen.
Düsen, Anordnungen und Brennkammern weisen eine körperliche Beschaffenheit auf, so dass die Stabilisierung der Flamme vermieden ist ohne den Einsatz einer Stromabwärts-Brennstoffeinspritzung. Die gewünschten niedrigen Emissionen werden dadurch bereitgestellt.
1 ist eine grafische Darstellung der Flammenstabilität für ein konventionelles Gasturbinenverbrennungssystem. Wie dargestellt ist die Flammenstabilität eine Funktion des Brennstoff-Luft-Verhältnisses und des Luftstroms. Es gibt einen Bereich der stabilen Verbrennung, dessen Größe potenziell durch mehrere Variablen beeinflusst werden kann, einschließlich der Brennstoffart. Die Düsen, Anordnungen und Brennkammern wie sie hierin vorgeschlagen werden, sind körperlich so beschaffen, dass der Bereich der stabilen Verbrennung verringert ist und der Bereich der Flammenstabilität vergrößert ist.
Die Vermeidung der Flammenstabilisierung erlaubt wiederum, dass unverbrannter Brennstoff stromabwärts ausbreitet, jenseits der primären Reaktionszone der benachbarten Brennstoffdüsen. Das heißt, dass eine durch die vorliegende Düse gestützte Flamme wird nicht auf der Stelle brennen, sondern innerhalb der Brennkammerzone der Anordnung und/oder der Brennkammer. Das Ergebnis ist vergleichbar zu dem, das durch axiale Brennstoffstufung erreicht wird, ohne die konventionelle Anforderung stromabwärts Brennstoff einzuspritzen.
Die Vorteile der axialen Brennstoffstufung oder der späten mageren Einspritzung für NOx-Emissionen durch eine vorgemischte Flamme sind grafisch in 2 veranschaulicht. Mit durchgezogener Linie für den konventionellen Fall das NOx relativ zum Brennstoff-Luft-Verhältnis gezeigt, während das NOx relativ zum Brennstoff-Luft-Verhältnis in Düsen, Anordnungen und Brennkammern, die die axiale Brennstoffstufung durchführen, in gepunkteter Linie dargestellt ist (von Fachleuten wird dies gelegentlich auch als späte magere Brennstoffeinspritzung bezeichnet). Wie dargestellt ergibt sich ein erweiterter Betriebsbereich für Brennstoff-Luft-Verhältnisse, der schon in der Lage ist bei den geforderten NOx-Emissionen zu arbeiten. Das späte oder verzögerte Einbringen eines Teils des Brennstoffs ermöglicht die Erweiterung der gesamten Flammenzone, was wiederum in einer Absenkung der Spitzentemperaturen und einer Reduzierung der NOx-Emissionen resultiert. Jedoch war es noch nicht möglich, ein zweckmäßiges Mittel aufzuzeigen, die stromabärts angeordneten Brennstoffdüsen oder die Brennstoffdüsen zur späten Einspritzung in dem Pfad des Hochtemperatur-Verbrennungsgases anzuordnen. Bei den vorliegenden Düsen, Anordnung und Brennkammern wird dieser erweiterte Betriebsbereich dadurch zur Verfügung gestellt, dass durch die körperliche Beschaffenheit der Düse die späte Einspritzung vermieden werden kann, während derselbe Effekt erreicht wird. Obwohl die vorliegende Düse in der Lage ist, die Vorteile der späten mageren Einspritzung bereitzustellen, ohne eine derartige Konfiguration zu benötigen, ist die Düse jedoch auch in der Lage hohe Brennstoff-Luft-Verhältnisse zu verwenden, das heißt, größer als 0,65 für Betriebsarten mit niedriger Leistung.
3 ist eine grafische Darstellung der NOx-Emissionen gegenüber dem Brennstoff-Luft-Verhältnis. Der rechte Bereich der Darstellung zeigt den normalen Bereich eines mageren Ausstoßes für eine Vormisch-Brennstoffdüse. Der zentrale Bereich zeigt einen Bereich von erweitertem magerem Ausstoß, der durch die Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden zentralen Brennstoffdüse erreicht werden kann. Der linke Bereich zeigt einen Bereich, in dem eine Flammenstabilisierung an der zentralen Brennstoffdüse nicht auftreten kann, wegen ungenügender Brennstoffströmung oder einem viel zu geringen Brennstoff-Luft-Verhältnis.
Und daher wird hierin eine Düse bereitgestellt, die anforderungsgemäß Teil einer Brennkammeranordnung sein kann, die in einer Ring- oder eine Rohr-Ring-Konfiguration in einer industriellen Gasturbine vorhanden sein kann. Die vorliegenden Düsen, Anordnungen und Brennkammern sind vorteilhafterweise auf niedrige bis moderate Brennstoff-Luft-Verhältnisse eingestellt, zum Beispiel bei Brennstoff-Luft-Verhältnissen von weniger als 0,65, wie diese typischerweise in Betriebsarten mit hoher Leistung verwendet werden.
4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine der Brennkammer einer Turbine, umfassend eine Rohr-Ring-Brennkammer-Konfiguration. Die Gasturbine 10 enthält einen Kompressor 12 (teilweise dargestellt), eine Vielzahl von Brennkammern 14 (eine ist dargestellt) und eine Turbine, die hier durch eine einzige Schaufel 16 veranschaulicht ist. Obwohl nicht explizit dargestellt, steht die Turbine in Antriebsverbindung mit dem Kompressor 12 entlang einer gemeinsamen Achse. Der Kompressor 12 setzt Einlassluft unter Druck, die dann in umgekehrter Richtung zur Brennkammer 14 strömt, wo sie dazu verwendet wird, die Brennkammer 14 zu kühlen und Luft für den Verbrennungsprozess bereitzustellen.
Wie oben angegeben, enthält die Gasturbine eine Vielzahl von Brennkammern 14, die im Umfangsbereich der Gasturbine angeordnet sind. Ein doppelwandiger Übergangskanal 18 verbindet das Auslassende jeder Brennkammer mit dem Einlassende der Turbine, um die heißen Verbrennungsprodukte an die Turbine zu liefern. Die Zündung in den verschiedenen Brennkammern 14 wird durch eine Zündkerze 20 in Verbindung mit Überschlagrohren 22 auf bekannte Weise erreicht.
Jede Brennkammer 14 enthält ein im Wesentlichen zylindrisches Brennkammergehäuse 24, das an einem offenen vorderen Ende mit dem Turbinengehäuse 26 über Bolzen 28 befestigt ist. Das rückseitige oder nahe Ende des Brennkammergehäuses ist durch eine Endabdeckungsanordnung 30 geschlossen, die Zufuhrrohre, Verteiler und zugeordnete Ventile für die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff, flüssigem Brennstoff, Luft und Wasser zu der Brennkammer 14 enthält, wie dies nachfolgend genauer beschrieben ist. Die Endabdeckungsanordnung 30 nimmt eine Vielzahl (zum Beispiel 3 bis 6) von „äußeren” Brennstoffdüsenanordnungen 32 (eine ist dargestellt) sowie eine zentrale Düse 33 auf, wobei die „äußeren” Brennstoffdüsenanordnungen 32 in einer ringförmigen Anordnung um die Längsachse der Brennkammer 14 angeordnet sind.
Im Brennkammergehäuse 24 ist im Wesentlichen konzentrisch dazu eine im Wesentlichen zylindrische Strömungshülse 34 angeordnet, die mit ihrem vorderen Ende zu der äußeren Wand 36 des doppelwandigen Übergangskanal 18 verbunden ist. Die Strömungshülse 34 ist mit ihrem rückseitigen Ende mittels eines radialen Flansches 35 mit dem Brennkammergehäuse 24 an einer Stoßverbindungsstelle 37 verbunden, an der vordere und hintere Abschnitte des Brennkammergehäuses 24 verbunden sind.
In der Strömungshülse 34 ist konzentrisch eine Brennkammerwand 38 angeordnet, die mit ihrem vorderen Ende mit der inneren Wand 40 des Übergangskanals 18 verbunden ist. Das rückseitige Ende der Brennkammerwand 38 wird durch eine Brennkammerwandkappenanordnung 42 abgestützt, die wiederum im Brennkammergehäuse durch eine Vielzahl von Streben 39 und eine zugeordnete Befestigungsanordnung abgestützt ist. Die äußere Wand 36 des Übergangskanals 18 und dieser Teil der Strömungshülse 34, die sich ausgehend von der Stelle, an der das Brennkammergehäuse 24 mit dem Turbinengehäuse durch Bolzen verbunden ist, nach vorne erstrecken, sind mit einer Anordnung von Öffnungen 44 an ihren betreffenden Umfangsflächen versehen, um der Luft eine Strömungsumkehr vom Kompressor 12 durch die Öffnungen 44 in den Ringraum zwischen der Strömungshülse 34 und der Brennkammerwand 38 hin zum stromaufwärtsseitigen oder rückseitigen Ende der Brennkammer zu ermöglichen (wie dies die Strömungspfeile in 1 zeigen).
Die Brennkammerwandkappenanordnung 42 trägt eine Vielzahl von Vormischrohren 46, eines für jede „äußere” Brennstoffdüsenanordnung 32 und für die zentrale Düse 33. Genauer ist jedes Vormischrohr 46 innerhalb der Brennkammerkappenanordnung 42 an seinem vorderen und rückwärtigem Ende durch vordere und rückwärtige Platten 47 bzw. 49 abgestützt, die jeweils mit Öffnungen versehen sind, die mit den offene Enden aufweisenden Vormischrohren 46 fluchten. Die vordere Platte 47 (eine Stoßplatte, die mit einer Reihe von Kühlungsöffnungen versehen ist) kann von der thermischen Strahlung der Brennkammerflamme durch Abschirmplatten (nicht dargestellt) abgeschirmt sein.
Die rückwärtige Platte 49 ist auf einer Mehrzahl von rückseitig verlaufenden beweglichen Kragen 48 angebracht (einer für jedes Vormischrohr 46, im Wesentlichen fluchtend mit den Öffnungen in der rückwärtigen Platte angeordnet), wobei jeder einen Luftdrallerzeuger 50 trägt, der eine radial äußerste Wand der betreffenden Düsenanordnung umgibt. Die Anordnung ist derart, dass die in dem Ringraum zwischen der Brennkammerwand 38 und der Strömungshülse 34 strömende Luft dazu gezwungen wird, im rückseitigen Ende der Brennkammer (zwischen der Endabdeckungsanordnung 30 und Hülsenöffnung 44) erneut die Richtung umzukehren und durch die Drallerzeuger 50 und die Vormischrohre 46 zu strömen. Die konstruktiven Details der Brennkammerwandkappenanordnung 42, der Art und Weise, wie die Brennkammerwandkappenanordnung im Brennkammergehäuse gehalten ist und die Art und Weise, wie die Vormischrohre 46 in der Brennkammerwandkappenanordnung gehalten sind, ist Gegenstand des US-Patentes 5 259 184 , auf das Bezug genommen wird und dessen Inhalt durch Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
5 zeigt schematisch eine vorderendseitige Darstellung und eine Brennstoffdüsenanordnung eines Ausführungsbeispiels einer Endabdeckungsanordnung einer Rohr-Ring-Brennkammer, wie sie in 4 dargestellt ist. Wie oben erläutert, sind äußere Brennstoffdüsenanordnungen 32 und eine zentrale Düse 33 an der Endabdeckung 30 angebracht. Die Endabdeckung 30 umfasst interne Durchgänge, die den Düsen gasförmigen und flüssigen Brennstoff, Wasser und zerstäubte Luft zuführen, wie dies nachfolgend detailliert beschrieben ist. Die Leitungen und die Rohre für die Versorgung mit den verschiedenen Fluiden sind wiederum mit der Außenfläche der Endabdeckungsanordnung verbunden.
Die äußeren Brennstoffdüsenanordnungen 32 und die zentrale Düse 33 können konventionell beschaffen sein, um vorgemischten gasförmigen Brennstoff, flüssigen Brennstoff, eingespritztes Wasser, zerstäubte Luft und/oder verteilten Brennstoff zuzuführen. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die äußeren Brennstoffdüsenanordnungen 32 und die zentrale Düse 33 dazu eingerichtet, vorgemischten gasförmigen Brennstoff zuzuführen.
Bezug nehmend auf 6, enthält jede äußere Brennstoffdüsenanordnung 32 ein nahes Ende oder einen rückseitigen Versorgungsabschnitt 72 mit Einlässen zur Aufnahme von flüssigem Brennstoff, eingespritztem Wasser, zerstäubter Luft und vorgemischtem gasförmigen Brennstoff sowie mit geeigneten Verbindungsdurchgängen, um jedes der oben genannten Fluide zuzuführen. Wie oben erwähnt, sind die äußeren Brennstoffdüsenanordnungen 32 jeweils dazu eingerichtet, vorgemischten gasförmigen Brennstoff aufzunehmen und einem betreffenden Durchgang in einem vorderen oder entfernten Versorgungsabschnitt 74 der Brennstoffdüsenanordnung zuzuführen. Die äußeren Brennstoffdüsenanordnungen können dazu eingerichtet sein, im Wesentlichen parallel zur Längsachse (Symmetrieachse) der zentralen Brennstoffdüsenanordnung 33 ausgerichtet zu sein oder können nach außen geneigt relativ zu dieser Achse verlaufen, so dass ihre Flammen geneigt sind gegenüber der Brennkammerwand. Eine solche Konfiguration ermöglicht dem Brennstoff der zentralen Düse, vor der Zündung weiter stromabwärts zu gelangen. Obwohl der genaue Winkel unkritisch ist, solange das vorbeschriebene Ziel erreicht wird, kann der Neigungswinkel durch die Brennkammerwand begrenzt sein. Zweckmäßige Neigungswinkel mit Bezug zur Längsachse der zentralen Brennstoffdüse 33 sind im Bereich von etwa 1 Grad bis etwa 7 Grad zu erwarten.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der vorderseitige Versorgungsabschnitt der äußeren Brennstoffdüsenanordnung 32 eine Reihe von konzentrischen Rohren. Die Rohre 76 und 78 beschreiben zumindest einen Gasdurchgang 80, der vorgemischten Gas-Brennstoff vom Vormisch-Gas-Brennstoff-Einlass 82 im rückseitigen Versorgungsabschnitt 82 über die Leitung 84 erhält. Die Vormischgasdurchgänge 80 stehen mit einer Vielzahl von radialen Brennstoffinjektoren 86 in Verbindung, wobei jeder von diesen mit einer Vielzahl von Injektionsanschlüssen oder Löchern 88 versehen ist, um Gas-Brennstoff in die Vormischzone innerhalb des Vormischrohres 86 abzugeben. Der eingespritzte vorgemischte Brennstoff vermischt sich mit Luft, die in Umkehrrichtung vom Kompressor 12 strömt.
Ein zweiter Durchgang 90 ist zwischen den konzentrischen Rohren 78 und 92 gebildet und wird dazu verwendet, zerstäubte Luft vom Zerstäubungslufteinlass 94 über die Mündung 96 in die Verbrennungszone 70 der Brennkammer 14 zu bringen. Ein dritter Durchgang 98 ist zwischen den konzentrischen Rohren 92 und 100 gebildet und wird dazu verwendet, Wasser vom Wassereinlass 102 in die Brennzone 70 zu bringen, um NOx-Reduktionen zu bewirken, auf eine Weise, wie sie Fachleuten bekannt ist.
Das Rohr 100 selbst, das das Innerste einer Reihe von konzentrischen Rohren zur Bildung der äußeren Düse 32 darstellt, bildet einen zentralen Durchgang über den Flüssigbrennstoffeinlass 106. Der Flüssigbrennstoff tritt über eine Ausgangsmündung 108 im Zentrum der äußeren Düsenanordnung 32 aus der Düse aus. Somit stellen alle äußeren Düsen 32 und die zentrale Gas-Düse 33 vorgemischten gasförmigen Brennstoff zur Verfügung. Die zentrale Düse 33, aber nicht die äußeren Düsen 32, stellen eine passive Luftspülung zur Verfügung und jede der äußeren Düsen 32, aber nicht die zentrale Düse 33, ist dazu eingerichtet, flüssigen Brennstoff, Wasser zur Emissionsabsenkung und zerstäubte Luft bereitzustellen. Eine Anzahl von quaternären Stiften (nicht dargestellt) ist in Umfangsrichtung um das vorderseitige Brennkammergehäuse angeordnet, um Brennstoff durch acht Löcher pro Stift zu verteilen.
Die zentrale Brennstoffdüse 33 weist eine körperliche Beschaffenheit auf, die Turbulenzen und Strömungsrezirkulationen minimiert, so dass die Flammenstabilität unzureichend ist. Die zentrale Düse 33 ist daher in der Lage, eine Flammendestabilisierung bei Äquivalenzverhältnissen unterhalb von 0,65 zu erreichen. Nicht-beschränkende Beispiele von körperlichen Beschaffenheiten, die eine solche Fähigkeit der zentralen Düse 33 ermöglichen, enthalten ein oder mehrere aerodynamische Merkmale, wie etwa eine stromlinienförmige Düsenspitze, eine Düsenspitzenluftspülung, einen stromlinienförmigen Drallerzeuger, duale Drallerzeuger, duale Gegenrotations-Drallerzeuger, Drallerzeuger-Düsen-Kombinationen, Einlassströmungskonditionierer, Brennrohrausgangsdüsentrichter und/oder divergierende Brennrohrwände.
Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsbeispielen die zentrale Brennstoffdüse 33 mit einer stromlinienförmigen Spitze, alleine oder in Kombination mit einer Düsenspitzenluftspülung versehen sein, die sowohl den hinteren Abschnitt der Düse kühlt und die verbleibenden Rezirkulationszonen tilgt. Dadurch hat die Flamme Schwierigkeiten sich in diesem Bereich zu halten, das heißt, die zentrale Brennstoffdüse 33 weist eine reduzierte Flammenstabilität auf verglichen mit einer konventionellen zentralen Brennstoffdüse. Und somit wird vorgemischter Brennstoff, der von der zentralen Brennstoffdüse 33 abgegeben wird, vor der Zündung stromabwärts bewegt oder geleitet. Das Ergebnis ist vergleichbar mit dem Effekt der axialen Brennstoffstufung, aber bedarf vorteilhafterweise keiner stromabwärts angeordneten Brennstoffeinspritzung.
Bei einigen Ausführungsbeispielen, kann die zentrale Brennstoffdüse 33 irgendeine Anzahl von Drallerzeugern in irgendeiner Konfiguration aufweisen. Zum Beispiel kann die zentrale Brennstoffdüse mit einem stromlinienförmigen Drallerzeuger, dualen Drallerzeugern, dualen Gegenrotationsdrallerzeugern, einem mit einer Düse oder einem Brennstoffstift kombinierten Drallerzeuger usw. versehen sein. Irgendeiner dieser Drallerzeuger kann zur Rotations- oder Gegenrotationsströmung von dort abgegebenen Fluiden vorgesehen sein und kann dazu dienen, die an der Spitze der zentralen Brennstoffdüse 33 vorhandene Flamme zu destabilisieren. Auch kann die zentrale Brennstoffdüse 33 in einem Brennrohr mit einem „glockenförmigen” Ausgang vorgesehen sein. Einlassströmungskonditionierer können auch dazu verwendet werden, um die gewünschte Flammendestabilisierung zu erreichen, oder dasselbe kann durch eine andere äußere Düsenkonfiguration erreicht werden. Irgendeine dieser Maßnahmen kann alleine oder in irgendeiner Kombination verwendet werden. Mehrere Ausführungsformen solcher Konfigurationen der zentralen Brennstoffdüse 33 sind in den 7 bis 13 gezeigt.
Ein Ausführungsbeispiel der zentralen Brennstoffdüse 33 ist in 7 gezeigt. Wie dargestellt, umfasst die zentrale Brennstoffdüsenanordnung 33 ein nahes Ende oder einen rückseitigen Versorgungsabschnitt 52 mit einem Durchgang 56, der sich durch die zentrale Düsenanordnung 33 erstreckt und zur Aufnahme einer passiven Luftspülung dient. Der Einlass 54 ist im Betrieb dazu eingerichtet, Luft über einen Entnahmeanschluss 112 vom Kompressorabgabeabschnitt 114 aufzunehmen, die beide in 4 gezeigt sind. Der zentrale Durchgang 56 versorgt die Verbrennungszone 70 der Brennkammer 14 (3) passiv über die Düsenspitzenluftspülmündungen 58, die an dem vordersten Ende 60 der zentralen Brennstoffdüsenanordnung 33 gebildet sind, mit Luft. Im Kontext einer Turbine 10, ist das entfernte oder vordere Abgabeende 60 der zentralen Brennstoffdüsenanordnung 33 im Vormischrohr 46 und nahe an dessen entferntem oder vorderen Ende angeordnet.
Einlässe 62 sind auch im rückseitigen Versorgungsabschnitt 52 der Düse gebildet, um Gas-Brennstoff vorzumischen. Der Vormisch-Gasdurchgang 64 oder die Vormisch-Gasdurchgänge 64 stehen in Verbindung mit einer Vielzahl von radialen Brennstoffinjektoren 66, die jeweils mit einer Vielzahl von Brennstoffinjektionsanschlüssen oder Löchern 68 versehen sind, um vorgemischten Gas-Brennstoff in eine Vormischzone abzugeben, die im Vormischrohr 46 angeordnet ist.
8 und 9 zeigen zwei zusätzliche Ausführungsbeispiele der zentralen Brennstoffdüse 33. Genauer weist die zentrale Brennstoffdüse 33 bei den in 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispielen eine stromlinienförmige Düsenspitze 116 sowie Düsenspitzenluftspülmündungen 114 auf, um die Spitze der zentralen Brennstoffdüse 33 zu kühlen und das Anhaften einer Flamme daran zu verhindern. Die in den 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispiele verwenden auch Drallerzeuger, um die Flamme zu destabilisieren, wobei das Ausführungsbeispiel nach 8 einen einzelnen stromlinienförmigen ringförmigen Drallerzeuger 118 zeigt und das Ausführungsbeispiel nach 9 einen dualen ringförmigen Drallerzeuger 118 verwendet.
10 zeigt ein zusätzliches Ausführungsbeispiel einer zentralen Brennstoffdüse 33, wobei das Brennrohr 120 mit einem glockenförmigen Auslass 122 versehen ist. Während es nicht beabsichtigt ist, durch irgendeine Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass das Bereistellen eines Brennrohrs 120 mit einem solchen Auslass Turbulenzen und Strömungsrezirkulationen reduzieren kann, die wiederum die Flammenstabilität verbessern können. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zentralen Brennstoffdüse 33, bei der der Drallerzeuger 118 und die Brennstoffinjektionsstifte 124 kombiniert sind, um eine „Dralldüse” 126 zu bilden. Dieses Ausführungsbeispiel stellt daher vorteilhafter Weise eine aerodynamischere Konfiguration mit weniger Möglichkeiten zur Ausbildung von Turbulenzen, zur Wirbelbildung oder zur Rezirkulation bereit. 11 zeigt auch einen glockenförmigen Auslass eines Brennrohrs 120, obwohl, wie oben erwähnt, dies nicht notwendigerweise der Fall ist und jede einzelne Beschaffenheit, die es der zentralen Brennstoffdüse 33 gestattet, eine destabilisierte Flamme bei Brennstoff-Luft-Verhältnissen von weniger als 0,65 zu erzeugen, allein oder in Kombination mit einer oder mehreren von anderen solcher Beschaffenheiten verwendet werden kann.
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der zentralen Brennstoffdüse 33, bei der ein Einlassströmungskonditionierer 128 in der Nähe des kombinierten Drallerzeugers 118 und der Brennstoffstifte 124 oder der Dralldüse 126 vorhanden ist. Der Einlassströmungskonditionierer 128 kann analog zu Strömungsgleichrichtern angesehen werden und dient zur Bereitstellung einer einheitlichen und eindimensionalen Einlassströmung zum Drallerzeuger oder zu der Dralldüse. Der Vorteil ist, dass weniger Turbulenzen, Wirbelbildung oder Rezirkulation auftritt.
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zentralen Brennstoffdüse 33, bei der das Brennrohr 120 mit einer Glockenmündung 122 versehen ist, wobei die Glockenmündung 122 aus einer Ebene parallel zu der Längsachse der zentralen Brennstoffdüse 33 divergiert.
Flammenformen für konventionelle Brennkammerdüsensysteme im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen sind in den 14A bis 14C dargestellt. Genauer zeigt 14A ein konventionelles passives Brennkammersystem mit später magerer Verbrennung und zeigt die stabilisierte Flamme an allen Brennstoffinjektoren. Im Unterschied dazu, ist in 14B ein erfindungsgemäßes Brennkammersystem gezeigt, das Ausführungsbeispiele der vorliegenden zentralen Düse umfasst und eine destabilisierte Flamme an der zentralen Düse zeigt, die erst weiter stromabwärts von der zentralen Brennstoffdüse zündet. 14C zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die äußeren Brennstoffdüsen nach außen geneigt sind, was vor der Zündung eine Konvektion von unverbranntem Brennstoff noch weiter stromabwärts bewirkt.
Die Turbine arbeitet mit gasförmigem Brennstoff in einer Reihe von Betriebsarten. In der ersten Betriebsart wird vorgemischter Gas-Brennstoff an zwei der äußeren Düsen 32 und der zentralen Düse 33 bereitgestellt, um die Turbine zu beschleunigen. Ab der Zündung und dem Abschluss des Überschlags der Zündung und bis ungefähr 95% der Drehzahl, wird die Strömung von vorgemischtem Brennstoff zur zentralen Düse 33 abgeschaltet und dieser Anteil des Brennstoffes wird umgeleitet zu zwei der äußeren Brennstoffdüsen 32. Ab etwa 95% der Drehzahl und einem Betrieb mit geringer Last, wird die Strömung des vorgemischten Brennstoffes zu den äußeren Brennstoffdüsen 32 abgeschaltet und dieser Anteil des Brennstoffes zum Vormischen des gasförmigen Brennstoffes wird an die zentrale Brennstoffdüse 33 abgegeben. Wenn die Last der Einheit weiter gesteigert wird, wird vorgemischter gasförmiger Brennstoff an zwei der äußeren Brennstoffdüsen 32 und an der zentralen Brennstoffdüse 33 bereitgestellt. Ab etwa 20% der Last wird die Strömung von zwei der äußeren Brennstoffdüsen auf drei der äußeren Brennstoffdüsen 32 verteilt, während die Strömung durch die zentrale Brennstoffdüse 33 aufrechterhalten wird. Ab etwa 30% der Last wird die Strömung von vorgemischtem gasförmigen Brennstoff durch die zentrale Brennstoffdüse 33 abgeschaltet und dieser Anteil des vorgemischten Gas-Brennstoffes wird durch die zwei der äußeren Brennstoffdüsen abgegeben, so dass alle äußeren Brennstoffdüsen 32 vorgemischten gasförmigen Brennstoff abgeben. Für eine kurze Zeitspanne wird der Brennstoff ausschließlich an die äußeren quaternären Vormischdüsen abgegeben. Ab ungefähr 30% Last wird die zentrale Brennstoffdüse 33 wieder in Betrieb genommen, um vorgemischten gasförmigen Brennstoff durch die Vormisch-Gas-Brennstoff Durchgänge 64 abzugeben. Diese Betriebsart wird angewandt mit geregelten Brennstoffanteilen für die Vormisch-Gas-Düsen bis zu 100% des Lastverhältnisses. Um in den Betriebsarten 1, 3 und 4 zu arbeiten, muss die zentrale Brennstoffdüse im Allgemeinen in der Lage sein, die Flamme bei Äquivalenzverhältnissen größer als 0,65 zu stabilisieren.
Die Fachleute verstehen, dass das Konzept, auf dem die Offenbarung beruht, ohne weiteres als Basis für das Bereitstellen anderer Strukturen, Verfahren und/oder Systeme verwendet werden kann, um die verschiedenen Zwecke der vorliegenden Erfindung auszuführen. Es ist daher wichtig, dass die Ansprüche so verstanden werden, dass sie solche äquivalenten Konstruktionen in soweit umfassen, als sie nicht von der Idee und dem Bereich der vorliegenden Erfindung abweichen.
Während die offenbarten Ausführungsbeispiele des hierin beschriebenen Gegenstandes in der Zeichnung dargestellt und in Verbindung mit mehreren beispielhaften Ausführungsbeispielen mit Besonderheiten und Details vollständig beschrieben sind, erschließt sich den Fachleuten, dass viele Modifikationen, Abwandlungen und Weglassungen möglich sind, ohne grundlegend von den neuen Lehren, den Prinzipien und Konzepten abzuweichen, wie sie hierin dargelegt sind, und von den Vorteilen des in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Gegenstands. Daher sollte der genaue Schutzbereich der offenbarten Erfindungen nur bei der weitestmöglichen Interpretation der beigefügten Ansprüche bestimmt werden, um daher alle diese Modifikationen, Abwandlungen und Weglassungen zu umfassen. Zusätzlich kann die Reihenfolge oder Abfolge von irgendwelchen Prozess- oder Verfahrensschritten variiert oder neu geordnet werden in Übereinstimmung mit alternativen Ausführungsbeispielen.
Es ist eine Düse für Anordnungen und Gasturbinen vorgesehen. Die Düse weist destabilisierenden Flammenhaltercharakteristika auf, das heißt, die Düse ist nicht in der Lage eine Flamme bis zu einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,65 zu stabilisieren. Daraus folgt, dass die durch die Flamme abgegebene Hitze verzögert ist, wodurch geringere Maximalflammentemperaturen und entsprechend geringere NOx-Niveaus erreicht werden. Die Flammenstabilisierungsfähigkeit ist für höhere Äquivalenzverhältnisse beibehalten, um den Betrieb der Brennkammer in anderen Abschnitten des Lastbereichs zu unterstützen.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbine
12: Kompressor
14: Brennkammern
16: Schaufeln
18: Übergangskanal
20: Zündkerze
22: Überschlagrohre
24: Brennkammergehäuse
26: Turbinengehäuse
28: Bolzen
30: Endabdeckungsanordnung
32: Äußere Brennstoffdüsenanordnung
33: Zentrale Düse
34: Strömungshülse
35: Flanschverbindung
36: Äußere Wand
37: Stoßverbindungsstelle
38: Brennkammerwand
39: Streben
40: Innere Wand
42: Brennkammerwandkappenanordnung
44: Öffnungen
46: Vormischröhre
47: Rückseitige Platte
48: Beweglicher Kragen
49: Rückseitige Platte
50: Drallerzeuger
52: Rückseitiger Versorgungsabschnitt
54: Passiver Spüllufteinlass
56: Durchgang
60: Vorderstes Ende
62: Einlässe
64: Vormischgasdurchgänge
68: Brennstoffeinspritzmündung
70: Verbrennungszone
72: Rückseitiger Versorgungsabschnitt
74: Entfernter Abgabeabschnitt
76: Rohr
78: Rohr
80: Vormischgasdurchgang
82: Vormisch-Gas-Brennstoff
84: Leitung
86: Radiale Brennstoffinjektoren
88: Brennstoffinjektormündungen
90: Durchgang
92: Rohr
94: Zerstäubungslufteinlass
96: Mündung
98: Durchgang
100: Rohr
102: Wassereinlass
106: Flüssigbrennstoffeinlass
108: Abgabemündung
112: Entnahmeanschluss
114: Kompressorabgabeabschnitt
116: Düsenspitze
118: Drallerzeuger
120: Brennrohr
122: Glockenförmiger Ausgang
124: Brennstoffinjektionsstifte
126: Dralldüse
128: Einlassströmungskonditionierer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5259184 [0042]

Claims

Gasturbinenbrennstoffdüse (33) die eine körperliche Beschaffenheit aufweist, derart dass die Düse nicht in der Lage ist eine Flamme bis zu einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,65 zu stabilisieren.
Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei die Düse eine reduzierte Flammenstabilität aufgrund von darin vorhandenen aerodynamischen Ausbildungen aufweist.
Brennstoffdüse nach Anspruch 2, bei der die aerodynamischen Ausbildungen zumindest eines der Merkmale aufweisen: eine stromlinienförmige Düsenspitze, eine Spülluftdüsenspitze, einen stromlinienförmiger Drallerzeuger, einen dualen Drallerzeuger, einen dualen Gegenrotationsdrallerzeuger, eine Drallerzeuger-Düsen-Kombination, einen Einlassströmungskonditionierer, einen glockenförmiger Brennrohrausgang und/oder divergierende Brennrohrwand.
Anordnung in einer einstufigen Gasturbinenbrennkammer, aufweisend eine Anordnung von äußeren Düsen (32), die um eine zentrale Achse angeordnet sind, sowie eine zentrale Düse (33), die auf dieser zentralen Achse angeordnet ist, wobei diese zentrale Düse (33) eine körperliche Beschaffenheit aufweist, so dass die zentrale Düse eine destabilisierte Flammenhaltecharakteristik bis zu einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,65 aufweist.
Die Anordnung nach Anspruch 4, bei der die zentralen Brennstoffdüsen speziell zur reduzierten Flammenstabilität durch das Vorsehen von aerodynamischen Ausbildungen ausgeführt sind.
Die Anordnung nach Anspruch 5, bei der die aerodynamischen Ausbildungen zumindest eines der folgenden Merkmale umfassen: eine stromlinienförmige Düsenspitze, eine Luftspüldüsenspitze, einen stromlinienförmiger Drallerzeuger, einen dualen Drallerzeuger, einen dualen Gegenrotationsdrallerzeuger, eine Drallerzeuger-Düsen-Kombination, einen Einlassströmungskonditionierer, einen glockenförmiger Brennrohrausgang und/oder divergierende Brennrohrwände.
Gasturbine umfassende eine Vielzahl von Brennkammern, wobei jede Brennkammer eine Mehrzahl von um eine Längsachse der Brennkammer angeordnete äußere Brennstoffdüsen, eine zentrale, im Wesentlichen entlang der Längsachse angeordnete Brennstoffdüse sowie eine einzige Verbrennungszone aufweist, wobei die zentrale Brennstoffdüse eine körperliche Beschaffenheit aufweist, so dass die zentrale Düse nicht in der Lage ist eine Flamme bis zu einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,65 zu stabilisieren.
Gasturbine nach Anspruch 7, wobei die zentralen Brennstoffdüsen durch das Vorsehen von aerodynamischen Ausbildungen speziell für die reduzierte Flammenstabilität ausgebildet sind.
Gasturbine nach Anspruch 8, bei der die aerodynamischen Ausbildungen zumindest eines der folgenden Merkmale aufweisen: eine stromlinienförmige Düsenspitze, eine Luftspüldüsenspitze, einen stromlinienförmiger Drallerzeuger, einen dualen Drallerzeuger, einen dualen Gegenrotationsdrallerzeuger, eine Drallerzeuger-Düsen-Kombination, einen Einlassströmungskonditionierer, einen glockenförmiger Brennrohrausgang und/oder divergierende Brennrohrwände.