DE102011110143A1

DE102011110143A1 - Verbrennungseinrichtung

Info

Publication number: DE102011110143A1
Application number: DE201110110143
Authority: DE
Inventors: Nicolas Noiray; Ghislain Singla; Marta de la Cruz Garcia
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2012-03-01
Also published as: US20120047896A1; EP2423598A1; US8966905B2

Abstract

Die Verbrennungseinrichtung (1) umfasst mehrere Mischeinrichtungen (2), wobei ein Sauerstoff enthaltendes Fluid (A) und ein Brennstoff (F) eingeführt und vermischt werden, um eine Mischung zu bilden, und eine Verbrennungskammer (7), wobei die in den Mischeinrichtungen (2) gebildete Mischung verbrannt wird. Jede Mischeinrichtung (2) weist einen konischen Körper (4) mit einer dahineinragenden Lanze (5), durch die Brennstoff (F) eindüsbar ist, auf. Die Lanzenspitzen (8) unterschiedlicher Mischeinrichtungen (2) weisen unterschiedliche Entfernungen (D1, D2) zu dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungseinrichtung. Im Folgenden wird insbesondere auf eine Verbrennungseinrichtung einer Gasturbine Bezug genommen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Verbrennungseinrichtungen von Gasturbinen umfassen bekanntlich mehrere Mischeinrichtungen, wobei ein Sauerstoff enthaltendes Fluid (wie Luft) zugeführt und mit einem Brennstoff vermischt wird, der über dahineinragende Lanzen eingedüst wird, um eine Mischung zu bilden.
Die Mischung läuft durch die Mischeinrichtungen und dringt in eine stromabwärts damit verbundene Verbrennungskammer ein; in der Verbrennungskammer findet eine Verbrennung der Mischung statt.
In der Regel sind die Mischeinrichtungen alle identisch; insbesondere weisen sie einen konischen Körper mit seitlichen Schlitzen für den Lufteintritt und eine axial im konischen Körper befindliche Lanze für die Eindüsung von Brennstoff auf; zusätzlich werden oft auch sich am konischen Körper befindliche Düsen bereitgestellt.
Während des Betriebs wird der Brennstoff über die Lanze und/oder Düsen in den konischen Körper eingedüst, mit der über die Schlitze eintretenden Luft vermischt, so dass sich die Mischung ausbildet, die dann in die Verbrennungskammer eindringt und verbrennt.
In der Regel werden während der Verbrennung Druckpulsationen erzeugt; diese Druckpulsationen können sich äußerst nachteilig auf die Lebensdauer der Verbrennungseinrichtung auswirken und müssen gedämpft werden.
Aus diesem Grund sind die mit einer Verbrennungskammer verbundenen Mischeinrichtungen für gewöhnlich in Gruppen von vier, fünf oder auch mehr Mischeinrichtungen gruppiert; in jeder Gruppe wird eine der Mischeinrichtungen bei einer Temperatur betrieben, die geringer als die Betriebstemperatur der anderen Mischeinrichtungen derselben Gruppe ist (in der Praxis ist die zugeführte Menge an Brennstoff geringer als die den anderen Mischeinrichtungen zugeführte Menge an Brennstoff).
Diese Betriebsart bewirkt, dass die Druckschwingungen, die die Mischeinrichtungen natürlich während des Betriebs erzeugen, kompensiert und ausgeglichen werden, so dass von der Verbrennungseinrichtung keine oder nur geringe Druckpulsationen ausgehen.
Dennoch ist die Temperatur insbesondere bei den ersten Stufen der Turbine nicht gleichförmig, da die Temperatur in der Verbrennungskammer auch nicht gleichförmig ist (d. h. dort gibt es kältere Bereiche, die von magereren Mischeinrichtungen, und wärmere Bereiche, die von fetteren Mischeinrichtungen beschickt werden); dies beansprucht sowohl die Verbrennungseinrichtung (insbesondere deren Verbrennungskammer) und die davor liegenden Rotorschaufeln, was zu einer niedrigeren Lebensdauer der betroffenen Komponenten führen kann.
Zusätzlich könnte sich bei einigen Betriebszuständen die Steuerung des Brennstoffs in den verschiedenen Mischeinrichtungen der gleichen Gruppe als schwierig gestalten; insbesondere ist die Brennstoffeinstellung der Mischeinrichtungen, die eine reduzierte Menge an Brennstoff erhalten müssen, bei verschiedenen Betriebslasten schwierig.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung beinhaltet daher die Bereitstellung einer Verbrennungseinrichtung, die die oben erwähnten Probleme des bekannten Stands der Technik löst.
Im Umfang dieser technischen Aufgabe besteht ein Gesichtspunkt der Erfindung in der Bereitstellung einer Verbrennungseinrichtung, bei der die Pulsationsdämpfung erreicht wird, ohne dass ein Betrieb von verschiedenen Mischeinrichtungen, die bei verschiedenen Temperaturen mit der gleichen Verbrennungskammer verbunden sind, nötig ist.
Dies ermöglicht eine erhöhte Lebensdauer sowohl der Verbrennungseinrichtung als auch der dieser zugewandten Rotorschaufeln.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, eine Verbrennungseinrichtung bereitzustellen, bei der die Steuerung der Brennstoffeindüsung bei allen Betriebsbedingungen leicht ist.
Die technische Aufgabe, zusammen mit diesen und weiteren Gesichtspunkten, wird erfindungsgemäß durch die Bereitstellung einer Verbrennungseinrichtung gemäß den beigefügten Ansprüchen erreicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich besser aus der Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht-exklusiven Ausführungsform der Verbrennungseinrichtung, die mittels eines nicht einschränkenden Beispiels in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist, ergeben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Vorderansicht eines Verbrennungseinrichtungsteils in einer Ausführungsform der Erfindung;
2 einen schematischen Querschnitt der Verbrennungseinrichtung durch die Linie II-II von 1;
3–5 den Reflexionsfaktor von Mischeinrichtungen, die bei verschiedenen Temperaturen arbeiten und bei denen sich die Lanze in verschiedenen Positionen befindet, und
6 einen schematischen Querschnitt durch den strichpunktierten Umfang von 1; aus Platzgründen ist dieser Querschnitt in zwei durch einen Pfeil verbundenen Stücken gezeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
In Bezug auf die Figuren zeigen diese eine Verbrennungseinrichtung 1 einer Gasturbine.
Die Verbrennungseinrichtung 1 weist mehrere Mischeinrichtungen 2 auf, in die ein Sauerstoff enthaltender Fluid A (wie z. B. Luft) und ein Brennstoff F (wie z. B. Öl oder Methan oder Erdgas) eingegeben und unter Bildung einer Mischung vermischt werden.
Die Mischeinrichtungen 2 weisen in der Regel ein Gehäuse 3 auf, das einen im Wesentlichen konischen Körper 4 mit tangentialen Schlitzen, durch die die Luft A in dieses eindringen kann, und Düsen in der Nähe der Schlitze zur Brennstoffeindüsung enthält.
Innerhalb des konischen Körpers 4 ist eine Lanze 5, durch die Brennstoff F eingedüst werden kann, untergebracht; die Lanze 5 ist mit einem Brennstoffversorgungskreis verbunden, der die Lanze 5 und somit die Mischeinrichtung 2 mit Brennstoff versorgt.
Die Mischeinrichtungen 2 sind mit einer Verbrennungskammer 7, zum Beispiel mit einem ringförmigen Aufbau, verbunden; in den beiliegenden Figuren sind nur zehn Mischeinrichtungen 2 als mit der Verbrennungskammer 7 verbunden gezeigt; es versteht sich jedoch, dass die Anzahl auch größer sein kann und dass die Mischeinrichtungen 2 auch in zwei oder mehr Umfangslinien statt nur einer angeordnet sein können.
Wie in den Figuren gezeigt haben die Lanzenspitzen 8 verschiedener Mischeinrichtungen 2 verschiedene Entfernungen D1, D2 zu den offenen Enden 9 des konischen Körpers 4.
Insbesondere sind die konischen Körper 4 der Mischeinrichtungen 2 identisch und nur die Lanzen 5 sind unterschiedlich positioniert.
In einer möglichen Anordnung alternieren die Lanzenspitzen 8, die sich näher an dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 befinden, mit den Lanzenspitzen 8, die sich weiter von dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 weg befinden.
Insbesondere folgt auf jeden Brenner mit einer Lanzenspitze 8, die sich näher an dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 befindet, ein Brenner mit einer Lanzenspitze 8, die sich weiter von dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 weg befindet, und auf jeden Brenner mit einer Lanzenspitze 8, die sich weiter von dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 weg befindet, folgt ein Brenner mit einer Lanzenspitze 8, die sich weiter von dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 weg befindet.
Zusätzlich weisen alle Mischeinrichtungen 2, bei denen sich Lanzenspitze 8 näher an dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 befindet, die gleiche Entfernung zwischen der Lanzenspitze 8 und dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 auf, und alle Mischeinrichtungen 2, bei denen sich die Lanzenspitze weiter von dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 weg befindet, weisen die gleiche Entfernung zwischen der Lanzenspitze 8 und dem offenen Ende 9 des konischen Körpers 4 auf. Selbst wenn nur zwei unterschiedliche Entfernungen D1, D2 gezeigt sind, können natürlich auch mehr als zwei Entfernungen zwischen den Lanzenspitzen 8 und den offenen Enden 9 des konischen Körpers 4 bereitgestellt sein; diese Entfernungen können je nach Bedarf alterniert werden, oder auch nicht.
Die Lanzen 5 weisen an ihrer Seitenfläche Düsen auf; die Düsen aller Lanzen 5 können die gleiche Entfernung D3 zu den offenen Enden 9 des konischen Körpers 4 oder eine unterschiedliche Entfernung davon aufweisen.
Die bestimmte Lanzenanordnung kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden.
Beispielsweise können Lanzen 5 mit dem geeigneten Aufbau und der geeigneten Länge vorgesehen werden, d. h. die Lanzen können eine derartige Länge aufweisen, dass, wenn sie in den konischen Körper verbunden sind, ihre Spitzen 8 die korrekte Auslegungsentfernung D1, D2 zu dem offenen Ende 9 des konischen Körpers aufweisen. Diese Ausführungsform ist nützlich, falls die Düsen aller Lanzen 5 die gleiche Entfernung D3 zu den offenen Enden 9 des konischen Körpers 4 haben müssen.
Alternativ können die Lanzen 5 derart geregelt sein, dass ihre Spitzen 8 mit einer Entfernung zu dem offenen Ende 9 angeordnet sein können, die in einem vorbestimmten Bereich liegt.
Beispielsweise können die Lanzen 5 einen teleskopischen Teil für die Regelung der Länge aufweisen; in diesem Fall kann der teleskopische Teil innerhalb des konischen Körpers 4 oder auch außerhalb davon untergebracht sein. Diese Ausführungsform ist nützlich, falls die Düsen der Lanzen 5 unterschiedliche Entfernungen D3 von den offenen Enden 9 des konischen Körpers 4 aufweisen.
Auch weitere Düsen am konischen Körper 4 (in der Regel in Positionen nahe den Schlitzen) zur Zuführung von Brennstoff können vorgesehen sein.
Der Betrieb der Verbrennungseinrichtung der Erfindung ist von der Beschreibung und den Zeichnungen deutlich, wobei es sich im Wesentlichen um Folgendes handelt.
Das Sauerstoff enthaltende Fluid A (für gewöhnlich Luft) dringt in die Gehäuse 3 ein und danach dringt es durch die Schlitze in den konischen Körper 4 ein; dementsprechend wird der Brennstoff F über die Lanzen 5 eingedüst; innerhalb des konischen Körpers 4 hat die Luft A eine große Turbulenz und Wirbel, was eine innige Mischung zwischen Luft A und Brennstoff F ermöglicht.
Zudem kann Brennstoff auch von den Düsen an den Schlitzen in den konischen Körper 4 eingedüst werden.
Die Mischung aus Luft A und Brennstoff F bewegt sich dann stromabwärts, wo sie in die Verbrennungskammer eindringt, wo sie verbrennt.
Während der Verbrennung erzeugt jede Mischeinrichtung 2 Druckschwingungen, die sich in der Verbrennungskammer 7 ausbreiten und mit den von den anderen Mischeinrichtungen 2 erzeugten Druckschwingungen in Interferenz treten.
Da die von jeder Mischeinrichtung 2 erzeugten Druckschwingungen von den geometrischen Merkmalen und Betriebsbedingungen der relevanten Mischeinrichtung abhängen, werden die Druckschwingungen, die von den Mischeinrichtungen 2 mit den unterschiedlich angeordneten Lanzen 5 erzeugt werden, im Allgemeinen unterschiedlich sein und eventuell auch sehr unterschiedlich voneinander sein.
Um das Pulsationsverhalten einer Mischeinrichtung 2 einzuschätzen, kann der Reflexionsfaktor verwendet werden.
Der Reflexionsfaktor wird gemessen, indem die Mischeinrichtung 2 an einem Ende eines Kanals und ein akustischer Treiber und mehrere Drucksensoren am anderen Ende des Kanals vorgesehen werden.
Der akustische Treiber erzeugt Druckwellen, die sich durch den Kanal fortpflanzen, die Mischeinrichtung erreichen und zurückreflektiert werden.
Die Sensoren detektieren die Vorwärts- und Rückwärtskomponenten der akustischen Wellen in dem Kanal.
Der Reflexionsfaktor ist definiert als das Verhältnis zwischen der Amplitude der einfallenden akustischen Wellen (von dem akustischen Treiber erzeugt) und den reflektierten Wellen (d. h. denen, die von der Mischeinrichtung zurückreflektiert werden).
Ist der Reflexionsfaktor größer als 1, sind Druckschwingungen, die natürlich während des Betriebs auftreten, verstärkt und können zu bedeutend hohen Druckpulsationen in der Verbrennungskammer führen (je nach den akustischen Merkmalen der Verbrennungskammer), was wiederum zu einem störenden Betrieb führen kann.
Der Reflexionsfaktor hängt auch von der Betriebstemperatur ab, da diese Temperatur das akustische Verhalten der Mischeinrichtungen beeinflusst.
Im Folgenden wird auf 3–5 Bezug genommen; diese Figuren sind mit Bezug auf identische Mischeinrichtungen mit identischen Betriebsparametern (zum Beispiel Luft- und Brennstoffmassenfluss, Einlasstemperatur, Kühlung usw.) graphisch dargestellt; nur die Lanzenposition ist anders, wie im Folgenden erklärt wird.
Insbesondere zeigen 3–5 die Beziehung zwischen dem Reflexionsfaktor (Refl. Coeff.) und der Strouhal-Zahl (St).
Bei der Strouhal-Zahl (St) handelt es sich um die normierte Frequenz der Druckschwingungen; es handelt sich um das Verhältnis zwischen der Frequenz (f) multipliziert mit dem Durchmesser der größten Basis des konischen Körpers (d. h. an seinem Ende 9, D) und der Luftgeschwindigkeit (U) in der Mischeinrichtung: St = f·D/U.
Die in diesen Figuren gegebenen Beispiele sind nicht einschränkend und dienen lediglich zur Veranschaulichung der Effektivität einer Lanzenanordnung auf das Pulsationsverhalten der Mischeinrichtungen.
5 zeigt den Reflexionsfaktor von zwei Mischeinrichtungen mit identischem Aufbau (d. h. konischer Körper, Lanzenaufbau und -position usw.), aber jeweils betrieben mit verbrannten Gasen bei einer Temperatur T₁ (Kurve 11) und T₂ = 1,07·T₁ (Kurve 12) Aus 5 ist der Einfluss der Temperatur auf den Reflexionsfaktor deutlich erkenntlich; dieser Einfluss wird gelegentlich in herkömmlichen Verbrennungseinrichtungen 1 verwendet, um Pulsationen zu vermeiden, indem die akustischen destruktiven Interferenzen, die bei Gruppen von bei unterschiedlicher Heißgastemperatur betriebenen Mischeinrichtungen erhalten werden, genutzt werden.
Im Gegensatz dazu zeigen 3 und 4 den Reflexionsfaktor einer Mischeinrichtung mit den gleichen Merkmalen wie denen, mit denen 5 graphisch dargestellt wurde, und anderer Mischeinrichtungen, bei denen die Lanze 5 anders positioniert ist.
Insbesondere zeigt 3 den für eine Temperatur T₁ eingezeichneten Reflexionsfaktor (Kurve 11 bezieht sich auf eine Mischeinrichtung, die mit der zur graphischen Darstellung von 5 verwendeten identisch ist, und Kurve 13 bezieht sich auf eine Mischeinrichtung mit den gleichen Merkmalen, wo sich aber die Lanze 2 cm weiter vom offenen Ende des konischen Körpers entfernt befindet).
Ähnlich zeigt 4 den für eine Temperatur T₂ eingezeichneten Reflexionsfaktor (Kurve 12 bezieht sich auf eine Mischeinrichtung, die mit der zur graphischen Darstellung von 5 verwendeten identisch ist, und Kurve 14 bezieht sich auf eine Mischeinrichtung mit den gleichen Merkmalen, wo sich aber die Lanze 2 cm weiter vom offenen Ende des konischen Körpers entfernt befindet).
Aus den 3 und 4 ist ersichtlich, dass der Einfluss der Lanzenposition auf den Reflexionsfaktor sehr groß ist (für jede Temperatur) und zum Ausgleich des unterschiedlichen akustischen Verhaltens der Mischeinrichtungen verwendet werden kann, ohne dass man sie bei unterschiedlichen Temperaturen betreibt, oder zusätzlich dazu.
Da sich die Mischeinrichtungen alle bei der gleichen Temperatur oder mit reduzierten Differenzialtemperaturen betreiben lassen, erhöhen sich Effizienz und Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungseinrichtungen und zusätzlich muss kein komplexes Steuersystem für den den Mischeinrichtungen zugeführten Brennstoff bereitgestellt werden, da alle Mischeinrichtungen mit dem gleichen Brennstoffmassenfluss versorgt werden.
Natürlich können die beschriebenen Merkmale unabhängig voneinander bereitgestellt werden.
In der Praxis können die verwendeten Materialien und die Abmessungen beliebig und gemäß den Erfordernissen ausgewählt werden.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungseinrichtung
2: Mischeinrichtung
3: Gehäuse
4: konischer Körper
5: Lanze
7: Verbrennungskammer
8: Lanzenspitze
9: offenes Ende von 4
11: Reflexionsfaktor einer Mischeinrichtung, die mit der Lanze in der Standardposition bei T₁ betrieben wird
12: Reflexionsfaktor einer Mischeinrichtung, die mit der Lanze in der Standardposition bei T₂ betrieben wird
13: Reflexionsfaktor einer Mischeinrichtung, die mit der Lanze um 2 cm nach innen verschoben bei T₁ betrieben wird
14: Reflexionsfaktor einer Mischeinrichtung, die mit der Lanze um 2 cm nach innen verschoben bei T₂ betrieben wird
D1, D2: Entfernung von 8 zu 9
D3: Entfernung der Düse der Lanze zu 9
A: Luft
F: Brennstoff

Claims

Verbrennungseinrichtung (1) mit mehreren Mischeinrichtungen (2), wobei ein Sauerstoff enthaltendes Fluid (A) und ein Brennstoff (F) eingeführt und vermischt werden, um eine Mischung zu bilden, und einer Verbrennungskammer (7), wobei die in den Mischeinrichtungen (2) gebildete Mischung verbrannt wird, wobei jede Mischeinrichtung (2) einen konischen Körper (4) mit einer dahineinragenden Lanze (5), durch die Brennstoff eindüsbar ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzenspitzen (8) unterschiedlicher Mischeinrichtungen (2) unterschiedliche Entfernungen (D1, D2) zu dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) aufweisen.
Verbrennungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Körper (4) der Mischeinrichtungen (2) identisch sind.
Verbrennungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzenspitzen (8), die sich näher an dem offenen Ende (9) der konischen Körper (4) befinden, mit den Lanzenspitzen (8), die sich weiter von dem offenen Ende (9) der konischen Körper (4) weg befinden, alternieren.
Verbrennungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzen (5) einen teleskopischen Teil für die Regelung ihrer Länge aufweisen.
Verbrennungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – auf jede Mischeinrichtung (2) mit Lanzenspitze (8), die sich näher an dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) befindet, eine Mischeinrichtung (2) mit Lanzenspitze (8), die sich weiter von dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) weg befindet, folgt und – auf jede Mischeinrichtung (2) mit Lanzenspitze (8), die sich weiter von dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) weg befindet, eine Mischeinrichtung (2) mit Lanzenspitze (8), die sich näher an dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) befindet, folgt.
Verbrennungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – alle Mischeinrichtungen (2), bei denen sich Lanzenspitze (8) näher an dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) befindet, die gleiche Entfernung zwischen der Lanzenspitze (8) und dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) aufweisen, und – alle Mischeinrichtungen (2), bei denen sich die Lanzenspitze (8) weiter von dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) weg befindet, die gleiche Entfernung zwischen der Lanzenspitze (8) und dem offenen Ende (9) des konischen Körpers (4) aufweisen.