DE102006053679A1

DE102006053679A1 - Niedrigemissionsbrennkammer und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102006053679A1
Application number: DE102006053679A
Authority: DE
Inventors: Andrei Tristan Evulet; Balachandar Varatharajan; Jassin Marcel Fritz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2007-05-24
Also published as: CN1975259A; JP2007139411A; GB0622550D0; US20070107437A1; GB2432206A

Abstract

Es wird eine Brennkammer (30) geschaffen. Die Brennkammer (30) enthält ein Brennkammerflammrohr (32) und einen Drallvormischer (34), der an dem Kopfende des Brennkammerflammrohres (32) angeordnet und dazu eingerichtet ist, der Brennkammer (30) ein Brennstoff-Luft-Gemisch zuzuführen. Die Brennkammer (30) enthält auch mehrere tangential gestufte Injektoren (36), die stromabwärts von dem Drallvormischer (34) an dem Brennkammerflammrohr (32) angeordnet ist, wobei jeder der mehreren Injektoren (36) zum Einbringen des Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Richtung quer zu einer Längsachse (44) der Brennkammer (30) und zum sequentiellen Zünden der Brennstoff-Luft-Gemische von benachbarten tangentialen Injektoren (36) eingerichtet ist.

Description

Hintergrund
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennkammern und konkreter auf eine Niedrigemissionsbrennkammer und ein Betriebsverfahren.

Vielfältige Typen von Gasturbinensystemen sind bekannt und in Gebrauch. Z.B. werden vom Flugzeugtriebwerk abgeleitete bzw. aeroderivative Gasturbinen für Anwendungen wie Energieerzeugung, Schiffsantriebe, Gaskompression, Kraft-Wärme-Kopplung, Bohrinselenergieversorgung usw. verwendet. Eine Gasturbine enthält typischerweise einen Verdichter zum Verdichten einer Luftströmung und eine Brennkammer, die die verdichtete Luft mit Brennstoff mischt und das Gemisch zündet, um ein Arbeitsgas zu erzeugen. Anschließend wird das Arbeitsgas zur Energieerzeugung durch eine Turbine expandiert. Der Brennkammerabschnitt ist typischerweise mit dem Verdichter- und dem Turbinenabschnitt koaxial angeordnet. Die Gestaltung des Brennkammerabschnitts kann weiterhin in Abhängigkeit von dem betrieblichen Aufbau der Gasturbine ausgewählt werden. Die in einer bestimmten Gasturbine verwendete Brennkammer kann z.B. eine Rohrbrennkammer, eine Ringbrennkammer oder eine Rohr-Ring-Brennkammer sein.

Darüber hinaus sind die Brennkammern für Gasturbinen so ausgeführt, dass die Emissionen, wie z.B. NO_x- und Kohlenmonoxidemissionen minimiert werden. In bestimmten Systemen wird eine Magervormischungsverbrennungstechnologie verwendet, um die Emissionen von solchen Systemen zu verringern. Die NO_x-Emissionen werden typischerweise durch ein Verringern der Flammentemperatur in der Reaktionszone der Brennkammer gesteuert. Im Betrieb wird eine niedrige Flammentemperatur durch ein Vormischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung erreicht. Leider wird das Fenster der Funktionsfähigkeit für solche Brennkammern sehr klein, und die Brennkammern müssen von der mageren Verlöschgrenze entfernt betrieben werden. Infolgedessen ist es schwierig, die Vormischer, die in den Brennkammern verwendet werden, außerhalb ihres Auslegungsraumes zu betreiben. Wenn ausreichend magere Flammen darüber hinaus Änderungen der Leistungsvorgabe, Strömungsstörungen oder Änderungen der Brennstoffzusammensetzung ausgesetzt sind, können die sich ergebenden Störungen des Äquivalenzverhältnisses zu einem Erlöschen der Verbrennung führen. Ein solches Verlöschen kann bei stationären Turbinen einen Energieverlust und kostspielige Stillstandzeiten verursachen.

Weiterhin kann eine Verbrennung mit Magervormischung Schwankungen hinsichtlich der Lage der Wärmefreisetzungszone bewirken, die zu hohen Druckfluktuationen führen. Solche Fluktuationen können hohe Amplituden erreichen und zu wesentlich höheren NO_x Emissionen führen und die Brennkammerelemente beschädigen.

Demnach besteht Bedarf an einer Brennkammer, die verringerte NO_x-Emissionen aufweist, während sie bei voller Leistung arbeitet. Es wäre ebenfalls vorteilhaft, eine Brennkammer für eine Gasturbine zu schaffen, die mit einer Vielzahl von Brennstoffen arbeitet, wobei über die Turbinenleistungen hinweg akzeptable Werte der Druckfluktuationen eingehalten werden.

Kurze Beschreibung

Kurz gesagt wird gemäß einer Ausführungsform eine Brennkammer geschaffen. Die Brennkammer enthält ein Brennkammerflammrohr und einen Drallvormischer, der an einem Kopfende des Brennkammerflammrohrs angeordnet und zur Lieferung eines Brennstoff-Luft-Gemisches an die Brennkammer eingerichtet ist. Die Brennkammer weist auch mehrere in Tangentialrichtung gestufte Injektoren auf, die stromabwärts von dem Drallvormischer an dem Brennkammerflammrohr angeordnet sind, wobei jeder der mehreren Injektoren zum Einbringen des Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Richtung quer zu einer Längsachse der Brennkammer und zum sequentiellen Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches von benachbarten tangentialen Injektoren eingerichtet ist.

In einer anderen Ausführungsform wird ein Gasturbinensystem geschaffen. Das Gasturbinensystem enthält einen Verdichter, der zum Verdichten von Umgebungsluft eingerichtet ist, und eine Brennkammer in Strömungsverbindung mit dem Verdichter, wobei die Brennkammer zum Aufnehmen von verdichteter Luft aus dem Verdichter und zum Verbrennen einer Brennstoffströmung eingerichtet ist, um eine Brennkammeraustrittsgasströmung zu erzeugen. Das Gasturbinensystem enthält auch eine Turbine, die stromabwärts von der Brennkammer angeordnet und zum Expandieren der Brennkammeraustrittsgasströmung eingerichtet ist. Die Brennkammer enthält einen Drallvormischer, der an einem Kopfende der Brennkammer angeordnet ist, um innerhalb der Brennkammer einen Kerndrall eines Brennstoff-Luft-Gemisches zu bewirken, und mehrere tangentiale Injektoren, die stromabwärts von dem Drallvormischer angeordnet sind, wobei jeder der tangentialen Injektoren zum Einbringen eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Richtung quer zu einer Längsachse der Brennkammer eingerichtet ist, um eine sequentielle Zündung der Brennstoff-Luft-Gemische durch den Injektor zu fördern.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer geschaffen. Das Verfahren enthält das Erzeugen einer Kerndrallströmung eines Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Brennkammer durch einen Drallvormischer, der an einem Kopfende der Brennkammer angeordnet ist, und durch das Einbringen von Brennstoff-Luft-Gemischen stromabwärts von dem Drallvormischer in Querrichtung durch mehrere Injektoren. Das Verfahren enthält auch ein sequentielles Zünden der Brennstoff-Luft-Gemische, die durch jeden einzelnen der Injektoren eingeleitet worden sind, unter Nutzung der Hitze von zuvor verbrannten Gasen von einem benachbarten Injektor.

Zeichnungen

Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente bezeichnen.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit einer Niedrigemissionsbrennkammer gemäß Aspekten der vorliegenden Vorgehensweise,

2 zeigt eine schematische Darstellung des Betriebsprozesses der Gasturbine aus 1 gemäß Aspekten der vorliegenden Vorgehensweise,

3 zeigt eine schematische Darstellung der Niedrigemissionsbrennkammer aus 1 gemäß Aspekten der vorliegenden Vorgehensweise,

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von tangentialen Injektoren und dem axialen Drallvormischer an dem Kopfende, die in der Brennkammer aus 3 gemäß Aspekten der vorliegenden Vorgehensweise verwendet werden,

5 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen beispielhaften Brennkammer gemäß Aspekten der vorliegenden Vorgehensweise und

6 zeigt eine schematische Darstellung der Zonen der Brennstoffstufung und sequentiellen Zündung, die durch die tangentialen Injektoren und den Drallvormischer am Kopfende aus 3 gemäß Aspekten der vorliegenden Vorgehensweise erreicht werden.

Detaillierte Beschreibung
Wie unten im Detail erläutert wirken Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zur Verringerung der Emissionen in Brennkammern, wie z.B. in Rohrbrennkammern und Rohr-Ring-Brennkammern, die in Gasturbinen verwendet werden. Insbesondere enthält die vorliegende Vorgehensweise das Anwenden einer Magervormischungsbrennstoffstufung und Verbrennungsgasum wälzung innerhalb der Brennkammer, um einen mageren Betrieb der Brennkammer mit einer homogenen Verbrennung zu ermöglichen, um die Emissionen, wie z.B. NO_x-Emissionen zu minimieren. In einer vorliegenden Ausführungsform ermöglicht die Magervormischungsbrennstoffstufung eine stabile Verbrennung mit einer besonders niedrigen Flammentemperatur in der Brennkammer, um die Emissionen zu minimieren. Nun mit Bezug auf die Zeichnungen und zuerst auf 1, in der eine Gasturbine 10 mit einer Niedrigemissionsbrennkammer 12 dargestellt ist. Die Gasturbine 10 weist einen Verdichter 14 auf, der zum Verdichten von Umgebungsluft eingerichtet ist. Die Brennkammer 12 steht in einer Strömungsverbindung mit dem Verdichter 14 und ist zum Aufnehmen von verdichteter Luft aus dem Verdichter 14 und zum Verbrennen einer Brennstoffströmung eingerichtet, um eine Brennkammeraustrittsgasströmung zu erzeugen. Weiterhin enthält die Gasturbine 10 eine Turbine 16, die stromabwärts von der Brennkammer 12 angeordnet ist. Die Turbine 16 ist zum Expandieren der Brennkammeraustrittsgasströmung eingerichtet, um eine externe Last anzutreiben. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Verdichter 14 über eine Welle 18 durch die von der Turbine 16 erzeugte Energie angetrieben.
2 stellt den Betriebsprozess der Gasturbine 10 aus 1 dar. Im Betrieb nimmt der Verdichter 14 eine Strömung von Umgebungsluft 20 auf und verdichtet die Strömung von Umgebungsluft 20, um eine Strömung von verdichteter Luft 22 zu erzeugen. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Boost-Verdichter verwendet werden, um die Strömung von Umgebungsluft 20 aufzunehmen und zu verdichten. Anschließend wird diese Strömung der verdichteten Luft von dem Boost-Verdichter zur weiteren Verdichtung zu dem Verdichter 14 geleitet. Wie von Fachleuten erkannt wird, kann der Verdichter 14 in Abhän gigkeit von der betrieblichen Ausführung mehrere Verdichter enthalten, um die Leistungsabgabe der Gasturbine 10 zu steigern. Die Gasturbine 10 kann z. B. einen Niederdruck- und einen Hochdruckverdichter enthalten. Alternativ kann die Gasturbine 10 einen Niederdruck-, einen Mitteldruck- und einen Hochdruckverdichter enthalten.
Die Strömung verdichteter Luft 22 von dem Verdichter 14 wird danach zu der Brennkammer 12 geleitet, um mit einer Brennstoffströmung 24 gemischt und verbrannt zu werden, um eine Brennkammeraustrittsgasströmung 26 zu erzeugen. In einem Ausführungsbeispiel weist die Brennkammer 12 eine Rohrbrennkammer auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Brennkammer 12 eine Rohr-Ring-Brennkammer auf. Weiterhin wird die Brennkammeraustrittsgasströmung 26 durch die Turbine 16 expandiert, um eine externe Last anzutreiben. In der dargestellten Ausführungsform wendet die Brennkammer 12 eine Brennstoffstufung der Brennstoffströmung 24 durch mehrere Querinjektoren an, die unten mit Bezug auf die 3-6 im Detail beschrieben ist. Wenn hierin der Begriff „Brennstoffstufung" (Fuel Staging) verwendet wird, bezieht er sich auf eine Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches an verschiedenen Punkten, wenn dieses sich durch die Brennkammer 12 bewegt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Niedrigemissionsbrennkammer 30 aus 1. In der dargestellten Ausführungsform enthält die Brennkammer 30 ein Brennkammerflammrohr 32 und einen Drallvormischer 34, der an einem Kopfende des Brennkammerflammrohres 32 angeordnet ist. Der Drallvormischer 34 ist dazu eingerichtet, der Brennkammer 30 ein Brennstoff-Luft-Gemisch zuzuführen und einen Kerndrall des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer 30 zu induzie ren. In einer Ausführungsform enthält die Brennkammer 30 eine Dry Low NO_x (DLN)-Brennkammer. In bestimmten Ausführungsformen wird der Drallvormischer 34 während eines Hochfahr-, Beschleunigungs- oder Herunterfahrzustandes der Brennkammer 30 zum Herbeiführen des Kerndralls des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Brennkammer 30 betrieben.
Weiterhin enthält die Brennkammer 30 mehrere tangential versetzte Injektoren, die z.B. mit den Bezugszeichen 36, 38, 40 und 42 bezeichnet sind. In der dargestellten Ausführungsform enthält die Brennkammer 30 vier tangential gestufte Injektoren 36, 38, 40 und 42. Es könnte in der Brennkammer 30 jedoch auch eine kleinere oder größere Anzahl von Injektoren verwendet werden. Weiterhin sind die mehreren Injektoren 36, 38, 40 und 42 in einer in Umfangsrichtung gestaffelten Anordnung auf dem Brennkammerflammenrohr 32 angeordnet, um die Brennstoffstufung innerhalb der Brennkammer 30 zu erreichen. In einer Ausführungsform sind die mehreren Injektoren 36, 38, 40 und 42 in Axialrichtung gestaffelt, um in der Brennkammer 30 eine axiale Brennstoffstufung zu erreichen. In der dargestellten Ausführungsform ist jeder der mehreren Injektoren 36, 38, 40 und 42 zum Einbringen eines frischen Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Richtung quer zu einer Längsachse 44 der Brennkammer 30 und zum sequentiellen Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches eingerichtet. Wenn hierin der Ausdruck „quer" verwendet wird, bezieht er sich insbesondere auf Richtungen in einem rechten Winkel zu einer Längsachse 44 der Brennkammer 30, aber abseits der Zentrallinie der Brennkammer 30. In bestimmten Ausführungsformen können die Injektoren 36, 38, 40 und 42 die Brennstoff-Luft-Gemische in einer Richtung unter einem Winkel zu der Längsachse einleiten. Der durch die mehreren Injektoren 36, 38, 40 und 42 eingebrachte Brennstoff enthält Erdgas, Wasserstoff, Synthesegas, einen Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid oder Kombinationen davon. Es werden jedoch auch viele andere Brennstoffe in Betracht gezogen. In einigen Ausführungsformen weist jeder der Injektoren 36, 38, 40 und 42 eine Eignung für zwei oder mehrere Brennstoffe auf und verwendet die Vormischungs- und Vorverdampfungseinrichtung für den Brennstoff. Vorteilhafterweise ermöglicht eine Eignung für mehrere Brennstoffe eine Eignung für einen Reservebrennstoff, insbesondere für flüssige Brennstoffe, wie z.B. Destillate.
In der dargestellten Ausführungsform weist jeder der tangentialen Injektoren 36, 38, 40 und 42 einen Brennstoffeinlass 46, 48, 50 bzw. 52 auf, um das Brennstoff-Luft-Gemisch dem jeweiligen tangentialen Injektor 36, 38, 40 bzw. 42 zuzuführen. Zusätzlich können die Injektoren 36, 38, 40 und 42 eine zugehörige Ventilsteuerung aufweisen, um die Brennstoffzufuhr zu den Injektoren 36, 38, 40 und 42 zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen können die Injektoren 36, 38, 40 und 42 zum Beschleunigen des Vormischprozesses eine wirbelnde Strömung erzeugen. Im Betrieb werden die von den Injektoren 36, 38, 40 und 42 eingebrachten Brennstoff-Luft-Gemische unter Verwendung der Hitze von zuvor verbrannten Gasen von den Injektoren 36, 38, 40 und 42 und der durch die Reaktion der drallstabilisierten Flamme des Verwirblers am Kopfende freigesetzten Hitze gezündet.
Weiterhin sind die mehreren Injektoren 36, 38, 40 und 42 zum Induzieren eines tangentialen Impulses in der Brennkammer 30 eingerichtet, um eine Flammenstabilisierung innerhalb der Brennkammer 30 zu fördern, und sie ergänzen die verdrallte Strömung, die durch den Drallerzeuger 34 an dem Kopfende er zeugt worden ist. Folglich behält der Kern der Brennkammer 30 eine verdrallte Bewegung bei, und es werden der Brennkammer 30 frische, magere Gemische quer zu der Achse 44 zugeführt. Außerdem erzeugt der geringe Drall- und Tangentialimpuls dieses frischen Gemisches von Brennstoff und Luft eine Geschwindigkeit, die im Wesentlichen hoch genug ist, um ein Halten der Flamme an dem Brennkammerflammrohr 32 oder den tangentialen Injektoren 36, 38, 40 und 42 zu verhindern und eine Zündung der durch die Injektoren 36, 38, 40 und 42 zugeführten frischen, mageren Gemische zu fördern. In der dargestellten Ausführungsform weist die Brennkammer 30 mehrere stromabwärts von den Injektoren 36, 38, 40 und 42 angeordnete Verdünnungslöcher 54 zum Einleiten von Verdünnungsluft auf, um die Kühlung der Wände des Brennkammerflammrohres 32 zu fördern. Die sequentielle Zündung der durch die Injektoren 36, 38, 40 und 42 zugeführten Brennstoff-Luft-Gemische wird unten unter Bezug auf die 4-6 beschrieben.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung 56 von tangentialen Injektoren, die in der Brennkammer 30 aus 3 verwendet wird. Wie dargestellt ist der Drallvormischer 34 an dem Kopfende der Brennkammer 30 (siehe 3) angeordnet, und mehrere Injektoren, wie z.B. 36, 38, 40 und 42, sind in einer gestaffelten Umfangs- oder Axialanordnung angeordnet, um innerhalb der Brennkammer 30 die Brennstoffstufung zu bewirken. Die mehreren Injektoren 36, 38, 40 und 42 sind zusätzlich zu dem von dem Drallvormischer 34 erzeugten Kerndrall über die Brennstoffstufung zum Herbeiführen einer Ringbewegung des Brennstoff-Luft-Gemisches eingerichtet. Eine solche Stufung wird insbesondere durch ein tangentiales Einbringen der frischen Brennstoff-Luft-Gemische durch die Injektoren 36, 38, 40 und 42 erzielt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bringen die Injektoren 36, 38, 40 und 42 die Brennstoff-Luft-Gemische in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse der Brennkammer ein. Alternativ können die Injektoren 36, 38, 40 und 42 die Brennstoff-Luft-Gemische auch in einer Richtung unter einem Winkel zu der Längsachse von etwa 0° bis etwa 45° einbringen. In bestimmten Ausführungsformen können die Injektoren 36, 38, 40 und 42 in einer gestaffelten Anordnung angeordnet sein, um innerhalb der Brennkammer 30 eine Schwingungsreduktion zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen kann die Fähigkeit zu einer Abstufung der Leistung innerhalb der Brennkammer 30 erreicht werden, in dem eine gewünschte Anzahl der Injektoren 36, 38, 40 und 42 betrieben wird. Im Betrieb kann eine ausgewählte Anzahl der Injektoren 36, 38, 40 und 42 eingeschaltet sein, während die übrigen Injektoren kalt laufen bzw. abgeschaltet sind, um einen Herunterfahrzustand der Brennkammer zu ermöglichen.
Im Betrieb fördert der von dem Drallvormischer 34 erzeugte Kerndrall die Flammenstabilisierung in der Brennkammer 30 und ermöglicht ein Hochfahren der Brennkammer 30, wenn die tangentialen Injektoren 36, 38, 40 und 42 nicht in Betrieb sind und diesen nur Luft zugeführt wird. Sobald die Flamme unter Verwendung des Drallvormischers 34 an dem Kopfende der Brennkammer 30 und möglicherweise einer Zündflamme stabilisiert worden ist, fördert der Drallvormischer 34 die Ausbreitung der Zündung von dem Drallvormischer 34 zu den Injektoren 36, 38, 40 und 42, wie es unten unter Bezug auf die 5 und 6 beschrieben ist. Sobald sich die Zündung zu den Injektoren 36, 38, 40 und 42 ausgebreitet hat, kann weiterhin am Kopfende der Brennkammer der Brennstoff auf ein Minimum reduziert werden, wodurch ein Betriebsmodus mit hoher Vorvermi schung ermöglicht wird, der nahe bei dem mageren Verlöschpunkt des Vormischers liegt, während der Brennstoff zum vollen Betrieb über die tangentialen Injektoren 36, 38, 40 und 42 zugeführt wird.
5 zeigt eine Querschnittsansicht 60 einer anderen beispielhaften Brennkammer mit einer tangentialen Brennstoffeinspritzung. Wie oben beschrieben nimmt die Brennkammer 60 einen Kerndrall der Luft 62 auf. In dieser Ausführungsform ist der Vormischer 34 im Zentrum der Brennkammer 60 angeordnet und an der Zentrallinie 44 ausgerichtet. Der Vormischer ist zum Einbringen des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer 60 eingerichtet. In bestimmten Ausführungsformen kann die Brennkammer eine (nicht gezeigte) Zündeinrichtung aufweisen, um das Brennstoff-Luft-Gemisch während des Hochfahrzustandes der Brennkammer 60 zu zünden. Zusätzlich werden frische Brennstoff-Luft-Gemische durch mehrere der stromabwärts von dem Drallvormischer 34 angeordneten Injektoren, wie sie z.B. mit dem Bezugszeichen 64 bezeichnet sind, in einer Richtung quer zu der Achse 44 der Brennkammer 60 eingeleitet. In der dargestellten Ausführungsform nimmt jeder der mehreren Injektoren 64 Brennstoff und Luft auf, wie es mit den Bezugszeichen 66 und 68 bezeichnet ist, und diese vorvermischte Mischung wird durch die einzelnen Injektoren 64 in die Brennkammer 60 einbracht. Das Einbringen der Brennstoff-Luft-Gemische durch die mehreren Injektoren 64 und den Drallvormischer 34 an dem Kopfende bewirkt einen tangentialen Impuls des Gemisches innerhalb des Kerns der Brennkammer 60. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wirkt die stromaufwärtige Kammer der Brennkammer 60 als eine große Vormischkammer, und die Reaktion findet stromabwärts von der stromaufwärtigen Kammer statt.
Weiterhin werden die Brennstoff-Luft-Gemische durch zuvor verbrannte Gase von einem benachbarten Injektor und die durch die Reaktion der wirbelstabilisierten Flamme 70 des Drallvormischers 34 am Kopfende freigesetzte Hitze gezündet. Weiter wird der Verbrennungsvorgang in einer Ausbrennzone abgeschlossen, wo Ausgleichsverbrennungsluft eingeleitet werden kann. In der dargestellten Ausführungsform fördert die Ringbewegung des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Brennkammer die Flammenstabilisierung. Zusätzlich fördert die Quereinleitung der Brennstoff-Luft-Gemische in der Brennkammer 60 eine sich selbst erhaltende Zündung, die unten unter Bezug auf 6 beschrieben ist.
6 zeigt eine schematische Darstellung der Zonen 80 der Brennstoffstufung und sequentiellen Zündung, die durch die tangentialen Injektoren aus 4 erreicht wird. In der dargestellten Ausführungsform wird die sequentielle Zündung durch einen Vormischungs-Reaktions-Zündungs-Mechanismus innerhalb der Brennkammer erreicht. Die sequentielle Zündung mit dem Wirbel und dem Ringimpuls innerhalb der Brennkammer verringert die Emissionen der Brennkammer wesentlich und erleichtert die Funktionsfähigkeit über ein relativ großes Temperaturfenster hinweg.
In der dargestellten Ausführungsform kann die Zündung bei jedem der Injektoren 36, 38, 40 und 42 durch vier Zonen 80 gekennzeichnet sein, die die Flammenstabilisierung und die Verbrennungsgasumwälzung innerhalb der Brennkammer fördern. Zum Beispiel werden der Brennstoff und die Luft, die von dem Injektor 40 eingebracht werden, in einer Vormischzone 82 und anschließend in einer Mischzone 84 vorvermischt. Weiter wer den die Brennstoff-Luft-Gemische in einer Zündzone 86 gezündet. Sobald die Temperatur in der Zündzone 86 zum Aufrechterhalten der Verbrennung hoch genug ist, finden in einer Reaktionszone 88 chemische Reaktionen statt. Anschließend treten die aus der Reaktionszone 88 austretenden Gase in eine Ausbrennzone 90 ein. In ähnlicher Weise wird die Zündung für jeden einzelnen der Injektoren 36, 38, 40 und 42 über den Vormischungs-Reaktions-Zündungs-Mechanismus gefördert, wie es oben beschrieben ist.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Geschwindigkeit von austretendem vorgemischten Gas und Luft aus jedem der tangentialen Vormischer 36, 38, 40 und 42 wesentlich höher als die lokale Flammengeschwindigkeit, wodurch ein Flammenrückschlag in die tangentialen Vormischer verhindert wird. Weiterhin setzt sich das Vormischen zwischen dem Brennstoff und der Luft, die jedem einzelnen der Vormischer 36, 38, 40 und 42 zugeführt werden, in der Vormischzone 82 fort. Anschließend findet in der Mischzone 84 eine Mischung mit heißen Gasen statt, die von der Verbrennung in dem Kern der Brennkammer stammen. Infolgedessen werden die frischen Gemische nach Erreichen der Zündbedingungen spontan gezündet. Weiterhin trägt der Impuls die verbrannten Gase und mischt diese vollständig mit dem Kern, was zu einer homogenen und vollständigen Reaktion in der Reaktionszone 88 führt, wo der Kern einen wesentlich höheren axialen Impuls entlang der Achse 44 (siehe 3) aufweist. Dies wird durch Einbringen eines geringen Drall- und starken Axialimpulses (d.h. eine niedrige Drallzahl) in tangentialen Vormischrohren erreicht. Es sollte erkannt werden, dass der Impuls die Drallbewegung in dem Kern fördert und die Flamme durch die Verwendung dieser Anordnung stabilisiert wird. Die Kernflamme 70 reibt folglich nicht an der Wand des Flammrohres 42, wodurch die Wände des Flammrohres 42 kühler gehalten werden.
In der dargestellten Ausführungsform werden die eingebrachten Brennstoff-Luft-Gemische an jeder einzelnen Stelle kontinuierlich durch die zuvor verbrannten Gase gezündet, wodurch in der Brennkammer eine sich selbst erhaltende Zündung gefördert wird. weiterhin fördert der Vormischungs-Reaktions-Zündungs-Mechanismus, der von den Injektoren 36, 38, 40 und 42 angewandt wird, eine stabilisierte Flamme in dem Zentrum der Brennkammer oder einem heißen Kern, während verhindert wird, dass das heiße Gas an dem Flammrohr und der Domplatte der Brennkammer reibt. Die tangentialen Injektoren 36, 38, 40 und 42 können für verschiedene Brennstoff/Luft-Verhältnisse zum sequentiellen Zünden verwendet werden, um die Stabilität der Verbrennungsgasumwälzung von teilweise oder vollständig verbrannten Gasen zu steuern. Dies ermöglicht eine Verringerung der Emissionen und einen Wegfall der Notwendigkeit einer aerodynamischen Flammenstabilisierung durch die Einführung einer sich selbst erhaltenden Zündung.
Die verschiedenen Aspekte des hierin zuvor beschriebenen Verfahrens sind in verschiedenen Anwendungen, wie z.B. bei den in Gasturbinen verwendeten Brennkammern nützlich. Wie oben angemerkt fördert die Brennstoffstufung, die in einer Brennkammer durch eine Quereinleitung von Brennstoff-Luft-Gemischen in die Brennkammer erreicht wird, in der Brennkammer eine von den Brennkammerwänden entfernte Flammenstabilisierung. Weiterhin ermöglicht die vorliegende Vorgehensweise eine Verringerung der Emissionen, insbesondere der NO_x-Emissionen, aus solchen Brennkammern, wodurch der Betrieb der Gasturbine auf umweltfreundliche Art erleichtert wird. Zu sätzlich kann die oben beschriebene Brennstoffstufung mit vielfältigen Brennstoffen angewandt werden, wodurch eine Brennstoffflexibilität des Systems erreicht wird, während über die geforderten Turbinenleistungen hinweg akzeptable Werte der Druckfluktuationen erhalten bleiben. Darüber hinaus kann die oben beschrieben Vorgehensweise auch in den vorhandenen Rohr- oder Rohr-Ring-Brennkammern angewandt werden, um die Emissionen zu verringern und eine relativ hohe Stabilität der Flamme zu erzielen.
Es wird eine Brennkammer 30 geschaffen. Die Brennkammer 30 enthält ein Brennkammerflammrohr 32 und einen Drallvormischer 34, der an dem Kopfende des Brennkammerflammrohres 32 angeordnet und dazu eingerichtet ist, der Brennkammer 30 ein Brennstoff-Luft-Gemisch zuzuführen. Die Brennkammer 30 enthält auch mehrere tangential gestufte Injektoren 36, die stromabwärts von dem Drallvormischer 34 an dem Brennkammerflammrohr 32 angeordnet sind, wobei jeder der mehreren Injektoren 36 zum Einbringen des Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Richtung quer zu einer Längsachse 44 der Brennkammer 30 und zum sequentiellen Zünden der Brennstoff-Luft-Gemische von benachbarten tangentialen Injektoren 36 eingerichtet ist.
Während hierin nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, werden Fachleuten zahlreiche Abwandlungen und Änderungen einfallen. Es muss daher erkannt werden, dass es beabsichtigt ist, dass die beigefügten Ansprüche alle solchen Abwandlungen und Änderungen umfassen, die unter den wahren Geist der Erfindung der fallen.

10: Gasturbine
12: Brennkammer
14: Verdichter
16: Turbine
18: Welle
20: Umgebungsluft
22: verdichtete Luft
24: Brennstoffströmung
26: Brennkammeraustrittsgasströmung
28: Austrittsgas
30: Brennkammer
32: Brennkammerflammrohr
34: Drallvormischer
36: Tangentialer Injektor
38: Tangentialer Injektor
40: Tangentialer Injektor
42: Tangentialer Injektor
44: Längsachse
46: Einlass
48: Einlass
50: Einlass
52: Einlass
54: Verdünnungsloch
60: Brennkammerabschnitt
62: Luftströmung
64: Injektor
66: Luft
68: Brennstoff
70: Flamme
80: Brennstoffstufungszonen
82: Vormischzone
84: Mischzone
86: Zündzone
88: Reaktionszone
90: Ausbrennzone

Claims

Brennkammer (30), die aufweist: Ein Brennkammerflammrohr (32), einen Drallvormischer (34), der an einem Kopfende des Brennkammerflammrohres (32) angeordnet und zum Zuführen eines Brennstoff-Luft-Gemisches zu der Brennkammer (30) eingerichtet ist; und mehrere tangential gestufte Injektoren (36), die stromabwärts von dem Drallvormischer (34) an dem Brennkammerflammrohr (32) angeordnet sind, wobei jeder der mehreren Injektoren (36) zum Einbringen des Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Richtung quer zu einer Längsachse (44) der Brennkammer (30) und zum sequentiellen Zünden der Brennstoff-Luft-Gemische von benachbarten tangentialen Injektoren (36) eingerichtet ist.
Brennkammer (30) nach Anspruch 1, bei der die durch die mehreren Injektoren (36) eingebrachten Brennstoff-Luft-Gemische unter Verwendung der Hitze von zuvor verbrannten Gasen von den Injektoren (36) gezündet werden.
Brennkammer (30) nach Anspruch 1, bei der die mehreren Injektoren (36) zum Herbeiführen eines Ringimpulses innerhalb der Brennkammer (30) eingerichtet sind, um die Flammenstabilisierung zu fördern.
Brennkammer (30) nach Anspruch 1, bei der der Drallvormischer (34) zum Herbeiführen eines Kerndralls des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Brennkammer (30) während eines Hochfahr-, Beschleunigungs- oder Herunterfahrzustandes der Brennkammer (30) eingerichtet ist.
Brennkammer (30) nach Anspruch 1, bei der der Brennstoff einen Erdgas-, Wasserstoff-, Synthesegas-, Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid- oder Destillatbrennstoff oder Kombinationen davon enthält.
Brennkammer (30) nach Anspruch 1, bei der die mehreren Injektoren (36) in einer gestaffelten Anordnung auf dem Brennkammerflammrohr (32) angeordnet sind, um innerhalb der Brennkammer (30) eine Brennstoffstufung zu erreichen.
Gasturbinensystem (10), das aufweist: einen Verdichter (14), der zum Verdichten von Umgebungsluft eingerichtet ist; eine Brennkammer (12) in Strömungsverbindung mit dem Verdichter (14), wobei die Brennkammer (12) zum Aufnehmen verdichteter Luft von dem Verdichter (14) und zum Verbrennen einer Brennstoffströmung eingerichtet ist, um eine Brennkammeraustrittsgasströmung zu erzeugen, wobei die Brennkammer (12) aufweist: Einen Drallvormischer (34), der an einem Kopfende der Brennkammer (12) angeordnet ist, um innerhalb der Brennkammer (12) einen Kerndrall eines Brennstoff-Luft-Gemisches herbeizuführen; und mehrere tangentiale Injektoren (36), die stromabwärts von dem Drallvormischer (34) angeordnet sind, wobei jeder der tangentialen Injektoren (36) zum Einbringen eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Richtung quer zu einer Längsachse (44) der Brennkammer (12) eingerichtet ist, um eine sequentielle Zündung der Brennstoff-Luft-Gemische durch den Injektor (36) zu fördern; und eine Turbine (16), die stromabwärts von der Brennkammer (12) angeordnet und zum Expandieren der Kompressoraustrittsgasströmung eingerichtet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer, das aufweist: Erzeugen einer Kerndrallströmung eines Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Brennkammer durch einen Drallvormischer, der an einem Kopfende der Brennkammer angeordnet ist; Quereinbringen von Brennstoff-Luft-Gemischen stromabwärts von dem Drallvormischer durch mehrere Injektoren und sequentielles Zünden der Brennstoff-Luft-Gemische, die durch jeweils einen der Injektoren eingebracht worden sind, unter Verwendung von Hitze von zuvor verbrannten Gasen von einem benachbarten Injektor.
Verfahren zur Verringerung der Emissionen von einer Brennkammer, das aufweist: Anordnen eines Drallvormischers an einem Kopfende der Brennkammer, um in der Brennkammer eine Kerndrallströmung eines Brennstoff-Luft-Gemisches zu erzeugen; und Koppeln mehrerer tangential gestufter Injektoren stromabwärts von dem Drallvormischer, um Brennstoff-Luft-Gemische in einer Richtung quer zu einer Längsachse der Brennkammer einzubringen und eine sequentielle Zündung der Brennstoff-Luft-Gemische durch die Injektoren zu fördern.
Brennkammer (30), die aufweist: Ein Brennkammergehäuse (32); einen Drallvormischer (34), der an einem Kopfende des Brennkammergehäuses (32) angeordnet und zum Zuführen eines Brennstoff-Luft-Gemisches zu der Brennkammer (30) eingerichtet ist; und mehrere tangential gestufte Injektoren (36), die stromabwärts von dem Drallvormischer (34) an dem Brennkammergehäuse (32) angeordnet sind, wobei jeder der mehreren Injektoren (36) zum Einbringen des Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Richtung quer zu einer Längsachse (44) der Brennkammer (30) und zu einem sequentiellen Zünden der Brennstoff-Luft-Gemische von benachbarten tangentialen Injektoren (36) eingerichtet ist.