DE69220091T2 - Vormischgasdüse - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Brennstoffdüsen für die Nieder-NOx-Verbrennung und insbesondere zu deren Stabilisierung. Verbrennung bei hoher Temperatur führt zur Bildung von NOx oder von Stickoxiden wegen der Verbindung von Sauerstoff mit Stickstoff bei hoher Temperatur. Bei diesen handelt es sich um bekannt Schadstoffe, und es wird viel Anstrengung darauf verwendet, die Bildung von NOx zu reduzieren.
• Eine Lösung war, den Brennstoff mit überschüssiger Luft vorzumischen, wodurch die gesamte Verbrennung mit einem lokal hohem Luftüberschuß erfolgt und deshalb bei einer relativ niedrigen Temperatur. Eine derartige Verbrennung kann jedoch zu Instabilität und unvollständiger Verbrennung führen.
• Dieses Problem ist in Gasturbinenmaschinen verstärkt. Bei Einstellen der korrekten mageren Mischung für einen korrekten Vollastbetrieb, muß der Niederlastbetrieb bedacht werden. Bei abnehmender Last nimmt der Luftstrom weniger ab als der Brennstofffluß und führt zu noch magereren Mischungen. Auch nimmt die Lufttemperatur ab. Folglich wird die Flammenstabilität und die Verbrennungseffizienz (der Prozentsatz des verbrannten Brennstoffs) ein zunehmendes Problem.
• EP-A-0 433 790 beschreibt einen Brenner mit einer Brennkammer mit einer axial verlaufenden Kammerwand und einem stromaufwärtigen Ende und einem Auslaßende; mindestens einen in Längsrichtung verlaufenden Schlitz in der Wand der zylinderförmigen Kammer, der eine zu der Kammerwand tangentiale Schlitzwand besitzt; eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Luft durch den Schlitz und eine Gasverteilungs-Verteilerleitung, die bei dem Schlitz angeordnet ist, mit mehreren axial beabstandeten Öffnungen zum Zuführen von Gas in den Luftstrom, wenn er in den Schlitz strömt.
• Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung einen Nieder-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine bereit, aufweisend:
• eine Brennkammer mit einer axial verlaufenden Kammerwand und mit einem stromaufwärtigen Ende und einem Auslaßende; mindestens einen in Längsrichtung verlaufenden Schlitz in der Wand der zylinderförmigen Kammer, der eine zu der Kammerwand tangentiale Schlitzwand besitzt; eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Luft durch den Schlitz; eine Gasverteilungs-Verteilerleitung, die bei dem Schlitz angeordnet ist, mit mehreren axial beabstandeten Öffnungen zum Zuführen von Gas in den Luftstrom, wenn er in den Schlitz strömt; dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer im wesentlichen zylinderförmig ist; daß ein konischer Körper in der Kammer auf der Achse der Kammer mit der Basis des konischen Körpers bei dem stromaufwärtigen Ende der Kammer und der Spitze des konischen Körpers in Richtung zu dem Auslaßende der Kammer angeordnet ist; und daß ein Gas-Pilotrohr eine Abgabeöffnung durch den konischen Körper bei dem Spitzenende besitzt.
• Nach einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen von Gas in dem Brenner einer Gasturbinenmaschine mit einer Verbrennung vom Vormischtyp bereit, aufweisend die folgenden Schritte: tangentiales Einbringen von Verbrennungsluft in eine Kammer mit vergrößertem axialen Strömungsbereich in Richtung auf ihr Auslaßende; verteilt Injizieren eines Hauptgasstroms in die Verbrennungsluft bei dem Eingang zu der Kammer; und Verbrennen des Hauptgasstroms bei dem Auslaß der im wesentlichen zylinderförmigen Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer eine im wesentlichen zylinderförmige Kammer ist und daß ein Pilotgasstrom in die Kammer bei der Mittelachse der Kammer eingebracht wird.
• Deshalb werden Gas und Luft bei einem tangentialen Eingang durch Längsschlitze in einer zylinderförmigen Kammer gemischt. Ein Zentralkonus schafft einen zunehmenden axialen Strömungsquerschnitt in Richtung zu dem Auslaß der Kammer.
• Die Gasverwirbelung in der Kammer vervollständigt das Mischen von Luft und Gas. Zusätzliches Gas wird als Pilotbrennstoff an der Mittelachse der Kammer nahe dem Auslaß zugeführt.
• Dieser Pilotbrennstoff bleibt im Kern. Beim Verlassen der Kammer kommt er mit rezirkulierenden Produkten hoher Temperatur von der Flamme zusammen. Bei diesen Produkten handelt es sich hauptsächlich um heiße Luft wegen des hohen lokalisierten Luft/Brennstoff-Verhältnisses. Lokale Selbstentzündung hält die Flammenstabilität aufrecht. Man hat auch herausgefunden, daß sie die Verbrennungseffizienz erhöht. Beim Verringern der Last wird der Pilotbrennstoff konstant gehalten oder zumindest weniger reduziert als der Hauptbrennstoff. Dieser Anstieg bei lokaler Verbrennung ist akzeptabel ohne NOx zu erhöhen, da die Lufttemperatur selbst bei derart niedriger Last abnimmmt.
• Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
• Fig. 1 ist ein Schema einer Gasturbinenmaschine und eines Verbrenners;
• Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Brenners im Schnitt;
• Fig. 3 ist eine Ansicht in Axialrichtung des Brenners im Schnitt;
• Fig. 4 ist eine Axialansicht im Schnitt, die bei 90º von Fig. 3 genommen wurde; und
• Fig. 5 ist eine Ansicht in Axialrichtung einer alternativen Ausführungsform des Brenners im Schnitt.
• Das Schema von Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenmaschine mit einem Verdichter 10, der der Verbrennungseinrichtung 12 verdichtete Luft liefert. Gas, das als Brennstoff durch die Gaszuführleitung 14 gefördert wurde, liefert der Verbrennung in der Verbrennungseinrichtung Brennstoff, wobei die gasförmigen Produkte durch die Turbine 16 hindurchströmen.
• Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Verbrennungseinrichtung 12 ist von einer Verbrennungseinrichtungsverkleidung 18 umgeben und weist mehrere umfangsmäßig beabstandete Brenner 22 in der stromaufwärtigen Seite auf. Die Struktur ist so bemessen, daß von dem ankommenden Luftstrom 24 von dem Verdichter 35 Prozent dieser Strömung als Verdünnungsluft 26 um einen Brenner fließt, wobei der überwiegende Teil davon als Kühlluft 28 durch die Verbrennungseinrichtungsverkleidung strömt. 65 Prozent dieses Luftstroms strömt als die Verbrennung unterstützende Luft 30 durch den Brenner.
• Von der Brennstoff-Verteilerleitung 14 wird der Hauptgasstrom durch die Leitung 32 zugeführt und durch das Ventil 34 gesteuert. Ein Pilotstrom von Gas strömt durch die Pilotleitung 36 und ist durch ein Ventil 38 steuerbar.
• Es wird auf die Figuren 3 und 4 Bezug genommen. Der Brenner 22 weist eine im wesentlichen zylinderförmige axial verlaufende Kammer 40 auf. Zwei in Längsrichtung verlaufende Schlitze 42 sind bei den Wänden angeordnet tangential zu der Innenwand der zylinderförmigen Kammer. Der die Verbrennung unterstützende Luftstrom 30 strömt durch diese Schlitze und führt zu der Verwirbelungswirkung in der Kammer 40. Die Hauptgasstromleitung 32 ist geteilt, um zwei Gasverteilungs-Verteilerleitungen 44 zu versorgen, die dem Lufteinlaßschlitz 42 benachbart angeordnet sind. Mehrere Öffnungen 46 sind auf der Länge der Verteilerleitung 44 angeordnet. Diese injizieren verteilt Gas als mehrere Ströme 48 in den durch den Schlitz strömenden Luftstrom. Das Gas und die Luft vermischen sich während dem Wirbeln der Mischung durch die Kammer 40.
• In der Kammer 40 ist ein Konus 50 zentral angeordnet mit seiner Basis in Richtung zu dem stromaufwärtigen Ende der Kammer und seiner Spitze 52 in Richtung zu dem Auslaßende 54 der Kammer. Deshalb nimmt der sich ergebende Strömungsquerschnitt 56 in Richtung zu dem Auslaß der Kammer so zu, daß die Mischung aus Luft und Gas, die axial entlang der Kammer strömt, eine im wesentlichen konstante Geschwindigkeit beibehält. Das verhindert ein Zurückschlagen der Flamme in das stromaufwärtige Ende der Kammer.
• Die im wesentlichen zylinderförmige Kammer 40 ist aus zwei halbzylinderförmigen Wänden 58 gebildet, deren Achsen voneinander versetzt sind, um den Schlitz 42 zu bilden.
• Ein Gaspilotrohr 50 geht durch die Mitte des Konus hindurch mit Pilotabgabeöffnungen 62 an der Spitze 52 des Konus oder dieser benachbart. Diese Stelle sollte innerhalb von 25 Prozent der Länge der Kammer 40 von dem Auslaß 54 der Kammer sein. Das Ziel ist es, den zusätzlichen Gasstrom zentral zu der wirbelförmig rotierenden Luft/Gas-Mischung einzuführen, ihn aber nicht mit der Luft/Gas-Mischung zu vermischen. Das wird durch die Tatsache unterstützt, daß das einströmende Gas leichter ist als die Luft oder die Luft/Gas-Mischung.
• Beim Vollastbetrieb der Gasturbinenmaschine können zwischen 4 und 6 Prozent des Gesamtgasstroms durch die Pilotöffnungen 62 zugeführt werden, ohne das NOx zu erhöhen. In den meisten Fällen ist der Pilot für die Stabilität bei hoher Last nicht erforderlich. Der Strom kühlt aber die Düse und vermeidet betriebliche Komplexität des Anstellens des Piloten beim Reduzieren der Last. Pilotbetrieb bei voller Last ist deshalb bevorzugt aber nicht erforderlich.
• Wenn die Last auf die Gasturbinenmaschine reduziert wird, fällt die Gesamtlufströmung weniger schnell als der Gasstrom. Da das Verhältnis des Luftstroms zwischen der Verbrennungsluft und der Verdünnungsluft durch die physische Auslegung der Struktur festgelegt ist, bleibt es konstant. Die Mischung in der Verbrennungszone wird deshalb zunehmend mager. Der bevorzugte Betrieb ist das Verringern der Last durch Reduzieren beim Ventil 34 bei gleichzeitigem Offenlassen des Ventils 38. Das erhöht den Anteil von durch den Piloten eingeführtem Brennstoff. Gleichzeitig nimmt aber die Lufttemperatur vom Verdichter ab. Die zusätzliche Temperatur wegen der höheren Konzentration des Pilotbrennstoffs ist zulässig, ohne NOx zu erhöhen, wegen dieser Abnahme der Gesamttemperatur.
• Man versteht, daß es möglich ist, beim Testbetrieb festzustellen, daß irgendeine andere Handhabung des Ventus 38 bevorzugt ist, statt es in einer festen Position beizubehalten. Es sollte aber dennoch einen zunehmenden Prozentsatz des Brennstoffs durch den Piloten während der Abnahme der Last erzeugen.
• Fig. 5 zeigt eine Schnitt durch eine alternative Düsenausführungsform und zeigt eine Kammer 40 und einen Konus 50. Drei Einlaßschlitze 72 sind für den Lufteinlaß vorgesehen, während der Hauptgasstrom durch Gasverteilerleitungen 74 strömt und durch Öffnungen 76 in Schlitze hineinströmt.
• Flammenstabilität wird ohne NOx-Anstieg bei reduzierter Last erzielt.

Claims (8)

1. Nieder-NOx-Brenner für eine Gasturbinenmaschine, aufweisend:

eine Brennkammer (40) mit einer axial verlaufenden Kammerwand und mit einem stromaufwärtigen Ende und einem Auslaßende (54);

mindestens einen in Längsrichtung verlaufenden Schlitz (42) in der Wand der zylinderförmigen Kammer, der eine zu der Kammerwand tangentiale Schlitzwand besitzt;

eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Luft durch den Schlitz;

eine Gasverteilungs-Verteilerleitung (44), die bei dem Schlitz angeordnet ist, mit mehreren axial beabstandeten Öffnungen (46) zum Zuführen von Gas in den Luftstrom, wenn er in den Schlitz strömt;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Brennkammer im wesentlichen zylinderförmig ist;

daß ein konischer Körper (50) in der Kammer auf der Achse der Kammer mit der Basis des konischen Körpers bei dem stromaufwärtigen Ende der Kammer und der Spitze (52) des konischen Körpers in Richtung zu dem Auslaßende (54) der Kammer angeordnet ist; und

daß ein Gas-Pilotrohr (60) eine Abgabeöffnung (62) durch den konischen Körper bei dem Spitzenende besitzt.

2. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die im wesentlichen zylinderförmige Kammer (40) aus mehreren Teilzylindern (58) gebildet ist, wobei die Achse eines jeden Zylinders zu der Achse der anderen Zylinder versetzt ist, wodurch der Schlitz (42) zwischen den Wänden aneinandergrenzender Teilzylinder gebildet ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, bei dem die Anzahl der Teilzylinder (58) zwei ist.

4. Brenner nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Gas-Pilotrohr (60) mehrere umfangsmäßig beabstandete Abgabeöffnungen (62) um den Umfang des konischen Körpers (50) bei der Spitze (52) des konischen Körpers oder wenig stromaufwärts davon besitzt.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Abgabeöffnung(en) (62) durch den konischen Körper innerhalb von 25% der axialen Länge der Kammer (40) vom Auslaß (54) der Kammer angeordnet ist (sind).

6. Verfahren zum Verbrennen von Gas in dem Brenner einer Gasturbinenmaschine mit einer Verbrennung vom Vormischtyp, aufweisend die folgenden Schritte:

tangentiales Einbringen von Verbrennungsluft in eine Kammer (40) mit vergrößertem axialen Strömungsbreich in Richtung auf ihr Auslaßende (54);

verteilt Injizieren eines Hauptgasstroms in die Verbrennungsluft bei dem Eingang zu der im wesentlichen zylinderförmigen Kammer; und

Verbrennen des Hauptgasstroms bei dem Auslaß der Kammer; dadurch gekennzeichnet,

daß die Kammer eine im wesentlichen zylinderförmige Kammer ist und daß ein Pilotgasstrom in die Kammer bei der Mittelachse der Kammer eingebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, aufweisend den folgenden Schritt:

Einbringen des Pilotgasstroms an einer Stelle innerhalb von 25% von der axialen Länge der Kammer (40) von dem Auslaß (54) der Kammer.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, aufweisend die folgenden Schritte:

Einbringen von zwischen 4 und 6% des Gesamtstroms aus Pilotgasstrom und Hauptgasstrom als Pilotgasstrom bei Maximalleistung der Gasturbinenmaschine; und

Erhöhen des prozentualen Anteils des Pilotgasstroms als prozentualem Anteil am Gesamtstrom bei Leistungen unterhalb des Maximalwerts.