DE102009003483A1

DE102009003483A1 - Flammenstabilisator für einen Gasturbinenbrenner

Info

Publication number: DE102009003483A1
Application number: DE102009003483A
Authority: DE
Inventors: Derrick Walter Simons; Geoffrey David Myers; Larry L. Thomas; Jeffrey Scott Lebegue
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2009-08-27
Also published as: JP2009198171A; CH698565A2; US20090211255A1; CN101514815A; CN101514815B

Abstract

Es wird ein Gasturbinenbrenner (10) vorgestellt, der eine Brennkammer (12) enthält, die stromabwärts von einer Vormischkammer (18) angeordnet ist. Die Vormischkammer (18) enthält wenigstens eine Öffnung (50) zur Aufnahme von Luft. Wenigstens eine primäre Brennstoffdüse (14) ist angeordnet, um einen Brennstoff (54) in die Vormischkammer (18) hinein austreten zu lassen. Der aus der primären Brennstoffdüse (14) abgegebene Brennstoff (54) vermischt sich mit der aufgenommenen Luft in der Vormischkammer (18), um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Eine sekundäre Brennstoffdüse (16) ist in der Nähe der Brennkammer (12) angeordnet, um den Brennstoff (54) an der Brennkammer (12) abzugeben. Ein Stabilisator (32) ist an der sekundären Brennstoffdüse (16) angeordnet, um in unmittelbarer Nähe zu einer Flamme positioniert zu sein, wenn der Brennstoff (54) an der sekundären Brennstoffdüse (16) gezündet wird. Der Stabilisator (32) ist aus einem Material gebildet, das die Fähigkeit aufweist, Wärme aus einem in dem Brenner (10) erzeugten Wärmestrom zu absorbieren und eine Temperatur beizubehalten, die ausreicht, um die Zündung der Flamme aufrechtzuerhalten. Es wird auch ein Verfahren zur Stabilisierung einer Flamme in einem Gasturbinenbrenner (10) vorgestellt. Das Verfahren enthält das Ausgeben von Brennstoff (54) an einer Brennkammer (12) des Gasturbinenbrenners (10) und das Positionieren eines Stabilisators (32) in unmittelbarer Nähe zu einer Flamme, wenn der Brennstoff (54) an der ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein einen Gasturbinenbrenner. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Flammenstabilisator, der an einer Brennstoffdüse eines Gasturbinenbrenners angeordnet ist, wodurch der Brenner mit magereren vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemischen betreibbar ist, wodurch sich geringere Stickoxidemissionen ergeben.
Gewöhnlich weist ein Gasturbinenbrenner sowohl primäre als auch sekundäre Brennstoffdüsen auf. Solche Brenner weisen vier Betriebsmodi auf: den Primär-, den Mager-Mager-, den Sekundär- und den Vormischmodus. Der Primärmodus wird zur Zündung des Brenners verwendet, wobei der Brennstoff lediglich zu den primären Düsen zugeführt wird. In dem Mager-Mager-Modus wird die sekundäre Düse ebenfalls gezündet, wobei der Brennstoff sowohl zu der primären als auch zu der sekundären Düse zugeführt wird. In dem Sekundärmodus wird der Brennstoff lediglich zu der sekundären Düse zugeführt, wodurch die Flamme an den primären Düsen ausgelöscht wird. In dem Vormischmodus wird der Brennstoff sowohl den primären als auch den sekundären Düsen zugeführt, aber die Flamme existiert nur in dem Bereich der sekundären Düse, wobei das vorgemischte Brennstoff-Luft-Gemisch für ein gewünschtes Verhalten, einschließlich reduzierter Stickoxidemissionen, optimiert ist.
Im Bestreben, die Stickoxidemissionen von Brennern zu verringern, werden diese oft unter Magerbedingungen betrieben. Der Betrieb unter Magerbedingungen birgt jedoch das Risiko eines mageren Flammenverlöschens oder Flammenabrisses (Lean Blowout).
Ein mageres Verlöschen tritt auf, wenn im Betrieb unter Magerbedingungen eine Änderung, wie z. B. eine Strömungsstörung, auftritt. Ein Verlöschen der Flamme hat einen Wechsel des Brenners zurück in den Mager-Mager-Modus oder sogar sein Abschalten und, wie oben beschrieben, entsprechendes Zurückwechseln in den Vormischmodus oder das Erfordernis einer erneuten Zündung zur Folge. Zur Verhinderung eines mageren Verlöschens werden viele Brenner unter fetteren Bedingungen betrieben, wobei jedoch diese Bedingungen eine höhere Flammentemperatur und größere Stickoxidemissionen ergeben.
Staatliche Emissionsvorschriften befassen sich zunehmend mit Schastoffemissionen von Gasturbinen, wie z. B. dem Stickoxiden.
U.S.Patentschrift Nr. 6,036,644 offenbart eine Düse mit einer konkav-konischen Gestalt mit Verwirblern zur Förderung einer gewünschten Flammenform. Die Flammenform wird als stabil beschrieben, so dass sie auf Strömungsstörungen weniger anfällig ist, wodurch ein magererer Betrieb ermöglicht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Gasturbinenbrenner beschrieben, der eine Vormischkammer und eine Brennkammer enthält. Die Vormischkammer enthält wenigstens eine Öffnung zur Aufnahme von Luft. Wenigstens eine primäre Brennstoffdüse ist für die Abgabe von Brennstoff in die Vormischkammer angeordnet. Der aus der primären Brennstoffdüse abgegebene Brennstoff vermischt sich mit der aufgenommenen Luft in der Vormischkammer, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Die Brennkammer ist stromabwärts von der Vormischkammer angeordnet. Eine sekundäre Brennstoffdüse ist in der Nähe der Brennkammer angeordnet, um Brennstoff an der Brennkammer auszugeben. Ein Stabilisator ist an der sekundären Brennstoffdüse angeordnet, um in enger Nähe zu einer Flamme positio niert zu sein, wenn der Brennstoff an der sekundären Brennstoffdüse gezündet wird. Der Stabilisator weist ein Material auf, das die Fähigkeit aufweist, Wärme aus einem in dem Brenner erzeugten Wärmestrom zu absorbieren und eine Temperatur aufrechtzuerhalten, die ausreicht, um die Zündung der Flamme aufrechtzuerhalten.
Es ist ferner eine Brennstoffdüse zur Verwendung in einem Gasturbinenbrenner vorgestellt, oder eine Brennstoffdüse und einen Stabilisator enthält, der an der Brennstoffdüse angeordnet ist, um in enger Nähe einer Flamme positioniert zu sein, wenn die Brennstoffdüse gezündet wird. Der Stabilisator weist ein Material auf, das die Fähigkeit aufweist, Wärme aus einem in dem Brenner erzeugten Wärmestrom zu absorbieren und eine Temperatur beizubehalten, die ausreicht, um die Zündung der Flamme aufrechtzuerhalten.
Es ist ein Verfahren zur Stabilisierung einer Flamme in einem Gasturbinenbrenner vorgestellt. Das Verfahren enthält das Abgeben von Brennstoff an der Brennkammer des Gasturbinenbrenners und das Positionieren eines Stabilisators in enger Nähe zu einer Flamme, wenn der Brennstoff in der Brennkammer gezündet wird. Der Stabilisator absorbiert Wärme aus einem in dem Brenner erzeugten Wärmestrom und erhält eine Temperatur aufrecht, die ausreicht, um die Zündung der Flamme zu erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Querschnitts eines Gasturbinenbrennersystems einer beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Flammenstabilisators des Gasturbinenbrennersystems aus 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf 1 ist dort ein Gasturbinenbrenner gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt, der allgemein mit 10 gekennzeichnet ist. Der Gasturbinenbrenner 10 enthält allgemein eine Brennkammer 12, primäre Brennstoffdüsen 14 (einige Gasturbinen, wie die hier gezeigte, verwenden mehrere Düsen in jedem Brenner), eine sekundäre Brennstoffdüse 16, eine ringförmige Vormischkammer 18 und einen Lufttrichter (ein Venturi) 20. Die Brennkammer 12 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form um eine Brennermittellinie 22 herum auf und ist von einer Wand 24 und von einer Brennerauskleidung 26 umschlossen. Die im Wesentlichen zylindrische Brennerauskleidung 26 weist eine obere Wand 28 und eine untere Wand 30 auf, die die Brennkammer 12 definieren.
Der Gasturbinenbrenner 10 weist vier Betriebsmodi, nämlich einen Primär-, Mager-Mager-, Sekundär- und Vormischmodus, auf.
Der Primärmodus wird zur Zündung des Brenners 10 verwendet, wobei ein Brennstoff 54 lediglich zu den primären Düsen 14 zugeführt wird. Ein Luftstrom wird in die Vormischkammer 18 hinein durch Eintrittsöffnungen 50 zugeführt. Es ist zu beachten, dass die Spitzenleitschaufeln und Kühlkreisläufe der primären Brennstoffdüsen, in dem Bestreben, 1 zu vereinfachen, nicht veranschaulicht sind. Der Brennstoff 54 wird durch einen Brennstoffdurchflussregler 56 den primären Brennstoffdüsen 14 zugeführt. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird dann durch eine Zündkerze (nicht gezeigt) oder eine andere herkömmliche Zündeinrichtung gezündet, wodurch eine Verbrennung innerhalb der Vormischkammer 18 an den primären Brennstoffdüsen 14 bewirkt wird.
In dem Mager-Mager-Modus wird die sekundäre Düse 16 ebenfalls gezündet, wobei der Brennstoff 54 den primären und sekundären Düsen 14 bzw. 16 zugeführt wird. Ungefähr 60% des Brennstoffs 54 werden den primären Brennstoffdüsen 14 zugeführt, und ungefähr 40% des Brennstoffs 54 werden der sekundären Brennstoffdüse 16 zugeführt. Die sekundäre Brennstoffdüse 16 zündet ausgehend von der Flamme der primären Brennstoffdüsen 14. Dies erzeugt einen erwünschten Wärmestrom, wodurch bewirkt wird, dass sich das längliche Element 34 des Flammenstabilisators 32 exponentiell erwärmt.
In dem Sekundärmodus wird der Brennstoff 54 lediglich zu der Sekundärdüse 16 geliefert, wodurch die Flamme an den Primärdüsen ausgelöscht wird. Während die Verbrennung in der Brennkammer 12 bei noch höherer Rate fortdauert, sind Stickoxidemissionen nicht verringert.
In dem Vormischmodus wird der Brennstoff 54 dann sowohl zu den Primärdüsen als auch zu der sekundären Düse, 14 bzw. 16, geliefert, wobei jedoch die Flamme nur an der sekundären Düse 16 vorliegt. Ungefähr 80% des Brennstoffs 54 werden zu der primären Brennstoffdüse 14 geliefert, und ungefähr 20% des Brennstoffs 54 werden zu der sekundären Brennstoffdüse 16 geliefert. Der Brennstoff 54 von den primären Brennstoffdüsen 14 ist mit Luft vorgemischt, die durch die Eintrittsöffnungen 50 eingeleitet wurde, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Vormischkammer 18 zu erzeugen. Dieses Brennstoff-Luft-Gemisch wurde noch nicht gezündet und strömt in stromabwärtiger Richtung, wie durch die Pfeile 58 angedeutet, zu der Brennkammer 12 hin, wo konvergente/divergente Wände 60 und 62 eines Venturikanals 20 den Durchfluss des Brennstoff-Luft-Gemischs beschränkt. Nach dem Bernoulli-Prinzip verursacht die durch das Venturi 20 eingeführte Durchflussbeschränkung eine Beschleunigung des Gemischs, wenn dieses die konvergente Wand 60 passiert, wobei eine Geschwindigkeitserhöhung mit einer Druckverringerung einhergeht. Entsprechend bewirkt dies eine Beschleunigung des Brennstoff-Luft-Gemischs in die Brennkammer 12 hinein, während gleichzeitig die Flamme in der Brennkammer 12 aufrechterhalten wird. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird in der Brennkammer 12 durch die Flamme an der sekundären Brennstoffdüse 16 gezündet, wodurch die Flamme in der Brennkammer 12 stark verstärkt oder gefördert wird und wodurch ein erhöhter Wärmestrom erzeugt wird.
Eine Flammenstabilisatoranordnung 32 ist an der sekundären Brennstoffdüse 16 montiert. Die Flammenstabilisatoranordnung 32 nutzt den in der Brennkammer 12 erzeugten Wärmestrom aus.
Bezug nehmend auf 2 enthält die Flammenstabilisatoranordnung 32 ein längliches Element 34, das eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt aufweist. Obwohl eine im Wesentlichen zylindrischen Form gezeigt und beschrieben ist, versteht es sich, dass andere Formen (wie z. B. eine im Wesentlichen konische Form) verwendet werden können, um das Element 34 zu definieren, ohne den Rahmen oder Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Das Element 34 weist eine Länge auf, die ausreicht, um sich über die sekundäre Brennstoffdüse 16 hinaus und bis in unmittelbare Nähe zu der oder in die Flamme hinein zu erstrecken. Das Element 34 ist aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut, das die Fähigkeit aufweist, sich zu erwärmen und die hohe Temperatur, die sich aufgrund der Wärmeströmung ergibt, beizubehalten. Solche Materialien enthalten Wolfram und Wolframlegierungen, sind aber nicht auf diese beschränkt. Das Element 34 enthält ferner ein Ende, das sich trichterförmig nach außen aufweitet, wie durch die Oberfläche 35 definiert.
Ein im Wesentlichen zylindrischer Halter 36 haltert das Element 34, wobei der Halter 36 in der sekundären Düse 16 befestigt ist. Der Halter 36 weist eine durch ihn hindurch führende Öffnung 38 auf, wobei ein Ende der Öffnung ein Gewinde aufweist und das andere nach innen konisch zuläuft, wie durch die Oberfläche 39 definiert. Das Element 34 wird in die Öffnung 38 des Halters 36 derart eingeführt, dass die Oberfläche 35 des Element 34 mit der Oberfläche 39 des Halters 36 verbunden ist oder in Eingriff steht. Ein mit einem Gewinde versehenes Element (z. B. eine Schraube oder ein Bolzen) 48 wird in die Gewindeöffnung eingeschraubt, wodurch die Verbindung der Oberfläche 35 des Elements 34 mit der Oberfläche 39 des Halters 36 gesichert wird. Der Halter 36 enthält ferner einen nach außen vorragenden Schulterteil 46, der die Anordnung 32 an der sekundäre Brennstoffdüse 16 haltert.
Der Brenner 10 kann unter magereren Bedingungen betrieben werden, um die Stickoxidemissionen weiter zu reduzieren. Ein mageres Verlöschen der Flamme wird deutlich reduziert, da das Element 34 eine fortlaufende Zündung des aus der sekundären Brennstoffdüse ausströmenden Brennstoffs bewirkt. Dementsprechend wird, sollte ein Ereignis, wie z. B. eine Strömungsstörung, eintreten, das anderweitig ein Verlöschen bewirken könnte, nun ein Verlöschen nicht erfolgen, weil das Element 34 für eine fortlaufende Zündung des aus der sekundären Brennstoffdüse ausgegebenen Brennstoffs sorgt.
Während hierin bevorzugte Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben sind, können zahlreiche Modifikationen und Ersetzungen vorgenommen werden, ohne von dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollte es verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung nur zu Veranschaulichungszwecken und nicht zur Beschränkung beschrieben worden ist.
Es wird ein Gasturbinenbrenner 10 vorgestellt, der eine Brennkammer 12 enthält, die stromabwärts von einer Vormisch kammer 18 angeordnet ist. Die Vormischkammer 18 enthält wenigstens eine Öffnung 50 zur Aufnahme von Luft. Wenigstens eine primäre Brennstoffdüse 14 ist angeordnet, um einen Brennstoff 54 in die Vormischkammer 18 hinein austreten zu lassen. Der aus der primären Brennstoffdüse 14 abgegebene Brennstoff 54 vermischt sich mit der aufgenommenen Luft in der Vormischkammer 18, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Eine sekundäre Brennstoffdüse 16 ist in der Nähe der Brennkammer 12 angeordnet, um den Brennstoff 54 an der Brennkammer 12 abzugeben. Ein Stabilisator 32 ist an der sekundären Brennstoffdüse 16 angeordnet, um in unmittelbarer Nähe zu einer Flamme positioniert zu sein, wenn der Brennstoff 54 an der sekundären Brennstoffdüse 16 gezündet wird. Der Stabilisator 32 ist aus einem Material gebildet, das die Fähigkeit aufweist, Wärme aus einem in dem Brenner 10 erzeugten Wärmestrom zu absorbieren und eine Temperatur beizubehalten, die ausreicht, um die Zündung der Flamme aufrechtzuerhalten. Es wird auch ein Verfahren zur Stabilisierung einer Flamme in einem Gasturbinenbrenner 10 vorgestellt. Das Verfahren enthält das Ausgeben von Brennstoff 54 an einer Brennkammer 12 des Gasturbinenbrenners 10 und das Positionieren eines Stabilisators 32 in unmittelbarer Nähe zu einer Flamme, wenn der Brennstoff 54 an der Brennkammer 12 gezündet wird. Der Stabilisator 32 absorbiert Wärme aus einem in dem Brenner 10 erzeugten Wärmestrom und behält eine Temperatur bei, die ausreicht, um die Zündung der Flamme aufrechtzuerhalten.

10: Gasturbinenbrenner
12: Brennkammer
14: primäre Brennstoffdüsen
16: sekundäre Brennstoffdüse
18: Vormischkammer
20: Lufttrichter, Venturi
22: Brennermittellinie
24: Wand
26: Brennerauskleidung
28: obere Wand
30: untere Wand
32: Flammenstabilisator
34: längliches Element
35: Oberfläche
36: Halter
38: Öffnung
39: Oberfläche
46: nach außen vorragender Schulterteil
48: mit Gewinde versehenes Element
50: Eintrittsöffnungen
54: Brennstoff
56: Durchflussregler
60: konvergierende Wand
62: divergierende Wand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6036644 [0006]

Claims

Gasturbinenbrenner (10), der aufweist: eine Vormischkammer (18), die wenigstens eine Öffnung (50) zur Aufnahme von Luft aufweist; wenigstens eine primäre Brennstoffdüse (14), die angeordnet ist, um Brennstoff (54) in die Vormischkammer (18) hinein austreten zu lassen, wobei sich der aus der primären Brennstoffdüse (14) austretende Brennstoff mit der aufgenommenen Luft in der Vormischkammer (18) vermischt, wodurch ein Brennstoff-Luft-Gemisch gebildet wird; eine Brennkammer (12), die stromabwärts von der Vormischkammer (18) angeordnet ist; eine sekundäre Brennstoffdüse (16), die in der Nähe der Brennkammer (12) angeordnet ist, um Brennstoff an der Brennkammer (12) austreten zu lassen; und einen Stabilisator (32), der an der sekundären Brennstoffdüse (16) angeordnet ist, um in enger Nähe zu einer Flamme positioniert zu sein, wenn Brennstoff an der sekundären Brennstoffdüse (16) gezündet wird, wobei der Stabilisator (32) aus einem Material gebildet ist, das die Fähigkeit aufweist, Wärme aus einem in dem Brenner (10) erzeugten Wärmestrom zu absorbieren und eine Temperatur beizubehalten, die ausreicht, um eine Zündung der Flamme aufrechtzuerhalten.
Gasturbinenbrenner (10) nach Anspruch 1, der ferner aufweist: einen Venturieinrichtung (20), die zwischen der Vormischkammer (18) und der Brennkammer (12) angeordnet ist, wobei die Venturieinrichtung (20) den Durchfluss des Brennstoff-Luft-Gemisches aus der Vormischkammer (18) zu der Brennkammer (12) beschränkt, während eine Flamme in der Brennkammer (12) aufrechterhalten wird.
Gasturbinenbrenner (10) nach Anspruch 1, wobei der Stabilisator (32) aufweist: ein längliches Element (34), das an einem Ende desselben an der sekundären Brennstoffdüse (16) angeordnet ist und an dem anderen Ende desselben zu der Brennkammer (12) hin vorragt.
Gasturbinenbrenner (10) nach Anspruch 3, wobei das längliche Element (34) im Wesentlichen zylindrisch oder im Wesentlichen konisch gestaltet ist.
Gasturbinenbrenner (10) nach Anspruch 3, der ferner aufweist: einen Halter (36), der eingerichtet ist, um an der sekundären Brennstoffdüse (16) gehaltert zu werden, und mit dem Ende des länglichen Elements (34) an der sekundären Brennstoffdüse (16) verbunden ist, um das längliche Element (34) zu halten.
Gasturbinenbrenner (10) nach Anspruch 5, wobei: das Ende des länglichen Elementes (34) an der sekundären Brennstoffdüse (16) sich konisch erweitert; und der Halter (36) eine durch ihn hindurchführende Öffnung (38) aufweist, wobei ein Ende der Öffnung (38) konisch zuläuft, wobei das längliche Element (34) durch die Öffnung (38) des Halters (36) derart eingeführt wird, dass das Ende des länglichen Elementes (34), das sich konisch erweitert, mit dem konisch zulaufenden Ende der Öffnung (38) verbunden ist.
Gasturbinenbrenner (10) nach Anspruch 6, wobei: ein anderes Ende des Halters (36) eine mit einem Gewinde versehene Öffnung (38) aufweist; und ferner ein mit einem Gewinde versehenes Element (48) aufweisend, mit der Öffnung (38), die mit einem Gewinde versehen, in Eingriff steht ist und das längliche Element (34) an dem Halter (36) sichert.
Gasturbinenbrenner (10) nach Anspruch 1, wobei das Material Wolfram oder eine Wolframlegierung aufweist.