DE102009003639B4

DE102009003639B4 - Verfahren und Systeme zur Verminderung von Verbrennungsdynamik

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Publication number: DE102009003639B4
Application number: DE102009003639.3A
Authority: DE
Inventors: Gilbert O. Kraemer; Balachandar Varatharajan; Shiva Srinivasan; John J. Lynch; Ertan Yilmaz; Kwanwoo Kim; Benjamin Lacy; Sarah Crothers; Kapil Kumar Singh
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2024-08-14
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: FR2931537A1; US7578130B1; FR2931537B1; CN101586812A; JP2009281720A; JP5484757B2; DE102009003639A1

Abstract

Brennkammer (104) für eine Gasturbine (100), mit:einer ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) und einer zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b), wobei jede Vormischeinrichtung wenigstens einen Brennstoffinjektor (118a, 118b), wenigstens einen Lufteinlasskanal (112a, 112b) und wenigstens eine Leitschaufeleinheit (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) aufweist, um Luft aus dem wenigstens einen Lufteinlasskanal (112a, 112b) und Brennstoff aus dem wenigstens einen Brennstoffinjektor (118a, 118b) wenigstens teilweise zu vermischen;wobei jede der Leitschaufeleinheiten (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) mehrere Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 120b; 204a, 204b; 304a, 304b) aufweist, durch die wenigstens ein Teil des Brennstoffs eingespritzt wird, wobei Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) jeweils stromabwärts der zugehörigen Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 120b; 204a, 204b; 304a, 304b) relativ zu der Strömung in Axialrichtung durch die jeweilige Vormischeinrichtung (110a, 110b; 202a, 202b; 302a, 302b) angeordnet sind;wobei die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122a, 206a, 306a) der ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) an einer ersten axialen Position positioniert ist, und wobei die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122b, 206b, 306b) der zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b) an einer zweiten axialen Position positioniert ist, die in Bezug auf die erste axiale Position axial versetzt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Der im Vorliegenden offenbarte Gegenstand betrifft Gasturbinen, und betrifft im Besonderen Verfahren und Systeme zur Verminderung von Verbrennungsdynamik.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Gasturbinen verwenden gewöhnlich Diffusionsflammenbrennkammern, da diese im Betrieb zuverlässig sind und eine angemessene Stabilitätscharakteristik aufweisen. Allerdings kann dieser Typ einer Brennkammer aufgrund der während der Verbrennung auftretenden hohen Temperaturen unangemessen hohe Pegel von Stickstoffoxidschadstoffen hervorbringen, die auch mit NO_x bezeichnet werden. Aufgrund zunehmend strengerer Vorschriften hinsichtlich der Begrenzung von Schadstoffemissionen sind industrielle Stromerzeuger dazu übergegangen, schadstoffarme Technologien einzusetzen, und viele neue Kraftwerke setzen gegenwärtig Gasturbinen mit geringem Schadstoffausstoß ein. Diese Gasturbinen erreichen niedrige NO_x-Emission mittels mager vorgemischter (LPM = Lean Pre-Mixed) Verbrennung. In diesen Systemen wird der Brennstoff (gewöhnlich Erdgas) vor der Verbrennung mit einem verhältnismäßig großen Anteil an Luft vermischt. Die thermische Masse der in der Brennkammer vorhandenen überschüssigen Luft absorbiert die bei der Verbrennung erzeugte Wärme und beschränkt auf diese Weise den Temperaturanstieg auf ein Niveau, bei dem kein thermisches NO_x entsteht.
Zwar zeigte sich, dass sich mittels Magergemischverbrennung eine wesentliche Verringerung der NO_x-Emissionen erzielen lässt, jedoch kann diese LPM-(Lean Premixed)-Verbrennung aufgrund der in jenem Betriebsbereich vorhandenen mageren Natur des Brennstoffstroms nachteilige Instabilitäten der Verbrennung aufweisen. Dieses Phänomen ist auch als Verbrennungsdynamik bekannt.
Mit mager vorgemischtem Brennstoff brennt die Verbrennungsflamme an der Grenze eines Zustands, bei dem sie nicht über eine ausreichende Menge an Brennstoff zur Aufrechterhaltung der Verbrennung verfügt, und es kommt zu einem Phänomen, das einer flackernden Flamme gleicht, was Druckschwankungen hervorruft. Diese Druckschwankungen regen die akustischen Modi der Brennkammer an, mit der Folge, dass Druckschwingungen mit großen Amplituden entstehen. Die erzeugten Schwingungen bewegen sich stromaufwärts in die Brennstoffdüse und führen zu einem oszillierenden Druckabfall an den Brennstoffinjektoren. Dies kann eine oszillatorische Zufuhr von Brennstoff zu der Brennkammer zur Folge haben. Wenn das oszillierende Brennstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer verbrennt, fluktuiert der Flammenbereich, was Wärmefreigabeschwankungen hervorruft. Abhängig von der Phasenbeziehung zwischen diesen Wärmefreigabeschwankungen und den Schallwellen kann eine potentiell selbsterregende Rückkopplungsschleife entstehen, die Schwingungen hervorruft, deren Amplitude zeitlich wächst. Diese Schwingungen treten gewöhnlich bei ganz bestimmten Frequenzen auf, die den natürlichen akustischen Modi der Brennkammer und ihren Oberschwingungen höherer Ordnung zugeordnet sind.
Solche, durch die Verbrennung geförderten Instabilitäten wirken sich nachteilig auf die Leistung des Systems und auf die Lebensdauer der Brennkammer aus. Die Schwingungen und die sich aus diesen ergebenden strukturellen Vibrationen können Reibung und Abnutzung an den Wänden der Brennkammer hervorrufen, was die Dauerstandfestigkeit verringert und die Gesamtleistung beeinträchtigt.
DE 198 09 364 A1 beschreibt einen Brenner mit geringen NOx-Emissionen und ein Verfahren zur Verbesserung der dynamischen Stabilität einer Verbrennungsflamme, die von einem Brennstoff- und Luftgemisch gespeist wird. Der Brenner enthält eine Kammer mit einem Dom an einem Ende, mit dem mehrere Vormischer verbunden sind. Jeder Vormischer enthält einen Kanal mit einem darin angeordneten Verwirbler zum Verwirbeln von Luft und mehrere Brennstoffinjektoren zum Einspritzen von Brennstoff in die verwirbelte Luft, wobei Brennstoffinjektoren mit ihren Brennstoffeinspritzöffnungen stromabwärts der Luftverwirbler angeordnet sind. Das in jedem Vormischer resultierende Brennstoff-Luft-Gemisch wird in die Brennkammer eingespeist, um darin eine Verbrennungsflamme zu erzeugen. Die Brennstoffinjektoren sind axial abgestuft an unterschiedlichen axialen Abständen von dem Dom angeordnet, um den Brennstoff von der Verbrennung zu entkoppeln und die dynamische Druckamplitude der Verbrennungsflamme zu verkleinern.
JP 2003 - 90 535 A beschreibt eine Brennkammer mit mehreren Brennstoff/Luft-Vormischrohren, die jeweils einen Luftverwirbler und Brennstoffeinspritzmündungen aufweisen, die an axial unterschiedlichen Positionen angeordnet sind. Die Brennstoffeinspritzmündungen sind in Form von Auslässen von Brennstoffzuführrohren jeweils stromabwärts des zugehörigen Luftverwirblers angeordnet, und die Längen der Vormischrohre unterscheiden sich voneinander.
US 6 993 916 B2 beschreibt eine sogenannte Swozzle (Verwirbler-Düsen) - Anordnung, bei der die Brennstoffeinspritzmündungen unmittelbar in den Leitschaufeln eines Verwirblers in den Kanälen eines Brennstoff-Luft-Vormischers ausgebildet sind. Alle Leitschaufeln sind an derselben axialen Position relativ zueinander angeordnet.
Dementsprechend besteht weiterhin ein Bedarf nach Verfahren und Systemen, die eine Verminderung von Verbrennungsdynamik ermöglichen. Weiter besteht ein Bedarf, gleichzeitig die Empfindlichkeit hinsichtlich der Zusammensetzung des Brennstoffs zu reduzieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Lage, einige oder sämtliche der oben beschriebenen Forderungen zu behandeln. Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen allgemein Verfahren und Systeme zur Verminderung von Verbrennungsdynamik.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Brennkammer für eine Gasturbine geschaffen. Die Brennkammer enthält wenigstens eine erste Vormischeinrichtung und eine zweite Vormischeinrichtung. Jede Vormischeinrichtung enthält wenigstens einen Brennstoffinjektor, wenigstens einen Lufteinlasskanal und wenigstens eine Leitschaufeleinheit, um die Luft aus dem wenigstens einen Lufteinlasskanal und Brennstoff aus dem einen oder den mehreren Brennstoffinjektoren wenigstens teilweise zu vermischen. Jede Leitschaufeleinheit weist mehrere Brennstoffeinspritzmündungen auf, durch die wenigstens ein Teil des Brennstoffs eingespritzt wird. Die Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten sind jeweils stromabwärts der zugehörigen Brennstoffeinspritzmündungen relativ zu der Strömung in Axialrichtung durch die jeweilige Vormischeinrichtung angeordnet. Außerdem ist die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit der ersten Vormischeinrichtung an einer ersten axialen Position angeordnet, und die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit der zweiten Vormischeinrichtung ist an einer zweiten axialen Position angeordnet, die in Bezug auf die erste axiale Position axial versetzt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer geschaffen. Das Verfahren beinhaltet die Schritte: Mischen von Brennstoff und Luft in einer ersten Vormischeinrichtung, die wenigstens einen Brennstoffinjektor, wenigstens einen Lufteinlasskanal und wenigstens eine Leitschaufeleinheit mit einer Abströmkante an einer ersten axialen Position aufweist; und Mischen von Brennstoff und Luft in einer zweiten Vormischeinrichtung, die wenigstens einen Brennstoffinjektor, wenigstens einen Lufteinlasskanal und wenigstens eine Leitschaufeleinheit mit einer Abströmkante an einer zweiten axialen Position aufweist, die in Bezug auf die erste axiale Position axial versetzt ist. Jede der Leitschaufeleinheiten weist mehrere Brennstoffeinspritzmündungen auf, durch die wenigstens ein Teil des Brennstoffs eingespritzt wird, wobei die Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten jeweils stromabwärts der zugehörigen Brennstoffeinspritzmündungen relativ zu der Strömung in Axialrichtung durch die jeweilige Vormischeinrichtung angeordnet sind, so dass der Brennstoff zunächst durch die Brennstoffeinspritzmündungen eingespritzt und anschließend bis zum Erreichen der Abströmkante der jeweiligen Leitschaufeleinheit durch diese verwirbelt wird, um mit der Luft vermischt zu werden. Das Verfahren beinhaltet ferner die Schritte: Ausstoßen des Brennstoff-Luft-Gemisches aus der ersten Vormischeinrichtung und aus der zweiten Vormischeinrichtung zu einer Brennkammer; und Verbrennen wenigstens eines Teils des aus der ersten Vormischeinrichtung und aus der zweiten Vormischeinrichtung stammenden Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt ist eine Gasturbine geschaffen. Die Gasturbine enthält einen Verdichter, eine Brennkammer und wenigstens eine erste Vormischeinrichtung und zweite Vormischeinrichtung, die der Brennkammer zugeordnet sind.
Jede Vormischeinrichtung enthält wenigstens einen Brennstoffinjektor, wenigstens einen Lufteinlasskanal und wenigstens eine Leitschaufeleinheit, um Luft aus dem wenigstens einen Lufteinlasskanal und Brennstoff aus dem wenigstens einen Brennstoffinjektor wenigstens teilweise zu vermischen. Jede der Leitschaufeleinheiten weist ferner mehrere Brennstoffeinspritzmündungen auf, durch die wenigstens ein Teil des Brennstoffs eingespritzt wird. Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten sind jeweils stromabwärts der zugehörigen Brennstoffeinspritzmündungen relativ zu der Strömung in Axialrichtung durch die jeweilige Vormischeinrichtung angeordnet. Die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit der ersten Vormischeinrichtung ist in der ersten Vormischeinrichtung an einer ersten axialen Position angeordnet, und die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit der zweiten Vormischeinrichtung ist in der zweiten Vormischeinrichtung an einer zweiten axialen Position angeordnet, die in Bezug auf die erste axiale Position axial versetzt ist.
Weitere Ausführungsbeispiele und Aspekte der Erfindung erschließen sich anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vorausgehenden allgemein beschrieben wurden, wird nun auf die beigefügten, nicht unbedingt maßstäblich gezeichneten Zeichnungen Bezug genommen:

1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Abschnitt einer exemplarischen Gasturbine, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt in einem Längsschnitt einen Abschnitt einer exemplarischen Gasturbine, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 zeigt in einem Längsschnitt einen Abschnitt einer exemplarischen Gasturbine, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 veranschaulicht in einem Flussdiagramm ein exemplarisches Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend eingehender anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen einige, jedoch nicht sämtliche Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In der Tat kann die Erfindung in vielfältigen Ausprägungen verwirklicht werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsbeispiele beschränkt bewertet werden; vielmehr sind diese Ausführungsbeispiele mit Blick auf eine Genügeleistung dieser Offenbarung hinsichtlich anwendbarer gesetzlicher Bestimmungen unterbreitet. Übereinstimmende Bezugsziffern bezeichnen durchgängig gleichartige Elemente.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Abschnitt einer exemplarischen Gasturbine 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Gasturbine 100 kann eine Brennkammer 104 mit geringem NO_x-Ausstoß (Low-NO_x-Brennkammer) enthalten. Die Gasturbine 100 kann ferner einen Verdichter 102 enthalten, der in Reihe mit der Low-NO_x-Brennkammer 104 und einer Turbine 106 strömungsmäßig verbunden ist. Die Turbine 106 kann über eine Welle 108 mit dem Verdichter 102 verbunden sein. Die Welle 108 kann verlängert sein, um mittels der Turbine 106 eine (nicht gezeigte) externe Last anzutreiben. In einem Ausführungsbeispiel kann der Verdichter 102 während eines typischen Betriebs der Gasturbine 100 einen eintretenden Luftstrom verdichten und den Luftstrom durch wenigstens eine von mehreren Vormischeinrichtungen 110a und 110b in die Low-NO_x-Brennkammer 104 leiten.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Gasturbine 100 eine erste Vormischeinrichtung 110a und eine zweite Vormischeinrichtung 110b; jedoch können in anderen Ausführungsbeispielen beliebig viele Vormischeinrichtungen verwendet werden. Jede der Vormischeinrichtungen 110a und 110b kann rohrförmig gestaltet sein und an einem stromaufwärts gelegenen Ende Lufteinlasskanäle 112a bzw. 112b zur Aufnahme von verdichteter Luft aus dem Verdichter 102 und an dem gegenüberliegenden stromabwärts gelegenen Ende Auslasskanäle 114a bzw. 114b aufweisen, die ein verwirbeltes Brennstoff-Luft-Gemisch 116a und 116b in die Brennkammer 104 ausstoßen. Jede Vormischeinrichtung 110a und 110b kann wenigstens einen Brennstoffinjektor 118a bzw. 118b enthalten, der dazu dient, Brennstoff, beispielsweise Synthesegas oder Erdgas, in die Vormischeinrichtungen zu injizieren. Jede der Vormischeinrichtungen 110a und 110b kann ferner wenigstens eine Leitschaufeleinheit, beispielsweise eine erste Leitschaufeleinheit 122a und eine zweite Leitschaufeleinheit 122b, aufweisen, die mehrere voneinander beabstandete (nicht gezeigte) Leitschaufeln enthalten, die rund um die Achse der Vormischeinrichtungen 110a und 110b angeordnet sind. Jede der Leitschaufeln kann mehrere darin ausgebildete Brennstoffeinspritzmündungen 120a und 120b aufweisen. Die erste Leitschaufeleinheit 122a und die zweite Leitschaufeleinheit 122b verleihen dem Brennstoff-Luft-Gemisch Turbulenzen, um einen verwirbelten Strom 116a und 116b hervorzubringen, der anschließend in die Brennkammer 104 eingespeist wird, um eine Verbrennungsflamme zu erzeugen. Die Brennstoffeinspritzmündungen 120a und 120b verbessern die Umfangsverteilung von Brennstoff aus den Brennstoffinjektoren 118a und 118b in den Vormischeinrichtungen 110a und 110b und fördern eine gleichmäßige Vermischung von Brennstoff und Luft. Obwohl in 1 lediglich zwei Vormischeinrichtungen veranschaulicht und im Vorliegenden beschrieben sind, ist es selbstverständlich, dass andere Ausführungsbeispiele eine beliebige Anzahl der Vormischeinrichtungen enthalten können.
Im Allgemeinen können die Brennstoffinjektoren 118a und 118b Brennstofftanks, Leitungen, Ventile und Pumpen verwenden, um den Brennstoff durch die Brennstoffeinspritzmündungen 120a bzw. 120b in die Vormischeinrichtungen 110a und 110b zu leiten. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der verwendete Brennstoff ein gasförmiger Brennstoff sein, der in die Vormischeinrichtungen 110a und 110b geleitet wird.
In vielfältigen Gasturbinen 100, beispielsweise einer Gasturbine mit geringem NO_x-Ausstoß, können Verbrennungsflammen in der Brennkammer 104 in Abhängigkeit von der Dynamik der Flamme mit unterschiedlichen oszillierenden Frequenzen brennen. Falls irgendwelche dieser Frequenzen einer Wärmefreigabeschwankung der Grundfrequenz der Brennkammer 104 oder einer Oberschwingung davon entsprechen, kann es in der Brennkammer 104 zu Druckschwankungen mit großer Amplitude kommen. Diese Druckschwankungen können sich von der Brennkammer 104 stromaufwärts in jede der Vormischeinrichtungen 110a und 110b ausbreiten. Eine solche Ausbreitung von Druckschwankungen kann ihrerseits eine Schwingung in der Nähe der Brennstoffeinspritzmündungen hervorrufen. Schwingungen können eine Schwankung des Mengendurchsatzes des aus den Brennstoffeinspritzmündungen 120a und 120b abgegebenen Brennstoffausstoßes zur Folge haben, was zu einer fluktuierenden Störung in dem Brennstoff-Luft-Gemisch führt. Diese Störung kann sich anschließend als eine Brennstoffkonzentrationswelle stromabwärts und in einen Flammenbrennbereich hinein bewegen. Falls die von diesen Brennstoffkonzentrationswellen herrührenden Wärmefreigabeschwankungen sich in Phase mit den in der Brennkammer 104 vorhandenen Druckschwankungen großer Amplitude befinden, kann eine sich selbst erregende Rückkopplungsschleife hervorgerufen werden, so dass es zu Verbrennungsdynamik kommt. Im Falle des Auftretens von Verbrennungsdynamik gehorcht das System dem Rayleigh-Kriterium, wobei dem akustischen Feld an einem Punkt im Raum Nettoenergie hinzugefügt wird, falls die Wärmehinzufügungen und Druckschwankungen über die Zeit in einem positiven Verhältnis stehen. Dementsprechend wachsen die Amplituden der Druckschwankungen mit der Zeit, und das System kann instabil werden. Falls sich die Druckschwankungen jedoch von den Wärmeschwankungen um eine Phase von 180° (Kreisgrade) unterscheiden, und destruktive Interferenz stattfindet, ist das Rayleigh-Kriterium verletzt, was die Druckschwankungen dämpft und dadurch die Verbrennungsdynamik unterdrückt.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Rayleigh-Kriterium angewandt werden, um das akustische Feld zu dämpfen, indem zwischen den Wärmefreigabeschwankungen und den Druckschwankungen in der Brennkammer 104 destruktive Interferenz hervorgerufen wird.
2 zeigt in einem Längsschnitt einen Abschnitt einer exemplarischen Gasturbine 100, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung drei Vormischeinrichtungen enthält; jedoch können in anderen Ausführungsbeispielen beliebig viele Vormischeinrichtungen verwendet werden. Eine erste Vormischeinrichtung, eine zweite Vormischeinrichtung und eine dritte Vormischeinrichtung werden im Folgenden als Vormischeinrichtung A 202a, Vormischeinrichtung B 202b bzw. Vormischeinrichtung C 202c bezeichnet. Jede der Vormischeinrichtungen 202a, 202b und 202c kann wenigstens eine Leitschaufeleinheit enthalten. In einem Ausführungsbeispiel sind in den Vormischeinrichtungen 202a, 202b und 202c eine erste Leitschaufeleinheit, eine zweite Leitschaufeleinheit bzw. eine dritte Leitschaufeleinheit enthalten. Die erste Leitschaufeleinheit, die zweite Leitschaufeleinheit und die dritte Leitschaufeleinheit können als Leitschaufeleinheit A 206a, Leitschaufeleinheit B 206b bzw. Leitschaufeleinheit C 206c bezeichnet sein. Jede der Leitschaufeleinheiten 206a, 206b und 206c kann eine oder mehrere Leitschaufeln enthalten, wobei jede Leitschaufel wenigstens eine Brennstoffeinspritzmündung 204a, 204b bzw. 204c zum Einbringen von Brennstoff in den Luftstrom enthalten kann. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Vormischeinrichtungen 202a, 202b und 202c ferner Diffusionsdüsen 208a, 208b und 208c enthalten, die unmittelbar oder nahe an dem distalen Bereich des zentralen Grundkörpers 210a, 210b und 210c jeder Vormischeinrichtung 202a, 202b bzw. 202c angeordnet sind.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Gasturbine 100 mit Bezug auf die Vormischeinrichtung A 202a und Vormischeinrichtung B 202b von 2 wenigstens zwei Vormischeinrichtungen mit versetzten Leitschaufeleinheitorten enthalten. Die Leitschaufeleinheit A 206a der Vormischeinrichtung A 202a kann an einer ersten axialen Position angeordnet sein, die sich in einem Abstand L₁ stromaufwärts einer Flammenfront 212 befindet. In ähnlicher Weise kann die Leitschaufeleinheit B 206b der Vormischeinrichtung B 202b in einem zweiten axialen Abstand L₂ von der Flammenfront 212 entfernt angeordnet sein. L₁ kann gleich oder ungleich L₂ sein. In dem in 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist L₁ jedoch ungleich L₂, was dazu führt, dass die erste axiale Position der Leitschaufeleinheit A 206a relativ zu der zweiten axialen Position der Leitschaufeleinheit B 206b axial versetzt ist. Diese versetzte Anordnung der Leitschaufeleinheiten 206a und 206b kann wenigstens teilweise dazu dienen, die Verbrennungsdynamik in der Brennkammer 104 zu dämpfen. Es ist selbstverständlich, dass in weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung, andere Leitschaufeleinheiten in ähnlicher Weise in einem oder mehreren relativen Abständen axial gegeneinander versetzt sein können.
Die in der Brennkammer 104 aufgrund der Kopplung zwischen Wärmefreigabeschwankungen und akustischen Frequenzen der Brennkammer 104 möglicherweise auftretenden Druckschwankungen 214a großer Amplitude bewegen sich von einer Flammenfront 212 ausgehend stromaufwärts und erreichen mit einer Zeitverzögerung die Brennstoffeinspritzmündungen 204a der Vormischeinrichtung A 202a. Diese erste Zeitverzögerung lässt sich wiedergebend durch: $\frac{L_{1}}{c - v}$
mit c gleich der Schallgeschwindigkeit, und v gleich der mittleren Geschwindigkeit des Luftstroms in jeder der Vormischeinrichtungen 202a und 202. Die anschließend an den Brennstoffeinspritzmündungen 204a der Vormischeinrichtung A 202a erzeugte (nachstehend als Brennstoffkonzentrationswelle 216a bezeichnete) erste Brennstoffkonzentrationswelle bewegt sich stromabwärts und erreicht die Flammenfront 212 mit einer weiteren Zeitverzögerung. Diese weitere Zeitverzögerung kann wiedergeben werden durch: $\frac{L_{1}}{v} .$
Dementsprechend ergibt sich für die Gesamtzeitverzögerung der Term: $L_{1} (\frac{1}{c - v} + \frac{1}{v}) .$
In ähnlicher Weise erzeugen die sich stromaufwärts in die Vormischeinrichtung B 202b bewegenden Druckschwankungen 214b eine (nachstehend als Brennstoffkonzentrationswelle 216b bezeichnete) zweite Brennstoffkonzentrationswelle, die an der Flammenfront 212 nach einer Gesamtzeitverzögerung ankommt, die wiedergegeben ist durch: $L_{2} (\frac{1}{c - v} + \frac{1}{v}) .$
Diese Zeitverzögerung spiegelt sich wieder in einer Phasenverschiebung der von den Brennstoffkonzentrationswellen 216a und 216b herrührenden Wärmefreigabeschwankungen. Die Phasenverschiebung wird wenigstens zum Teil durch die Parameter L₁ bzw. L₂ bestimmt, was auf die axial versetzte Anordnung der Leitschaufeleinheiten 206a und 206b zurückzuführen ist. Somit kann die axiale Beabstandung zwischen L₁ und L₂ so ausgewählt werden, dass die in der Vormischeinrichtung A 202a erzeugte Brennstoffkonzentrationswelle 216a und die in der Vormischeinrichtung B 202b erzeugte Brennstoffkonzentrationswelle 216b eine Phasendifferenz von etwa 180° (Kreisgrade) aufweisen können. Dies kann offensichtlich dazu führen, dass sich die vielfältigen Brennstoffquellen gegenseitig aufheben, so dass eine konstante Brennstoffkonzentration von den Vormischeinrichtungen 202a und 202b her aufrecht erhalten wird.
Allerdings stellte sich in Versuchen heraus, dass sich die axiale Beabstandung zwischen den Leitschaufeleinheiten 206a und 206b in einigen Ausführungsbeispielen nicht beliebig bemessen lässt. Die Wahl kann auf einen angemessenen Wertebereich beschränkt sein, der von zwei Gesichtspunkten abhängt, nämlich dem Flammenrückschlag und dem Emissionsverhalten in den Vormischeinrichtungen 202a und 202b. Die axiale Beabstandung zwischen L₁ und L₂ kann geeignet ausgewählt sein, so dass die Verweildauer der Brennstoffkonzentrationswelle 216a und 216b in den Vormischeinrichtungen 202a bzw. 202b nicht ausreichend lang ist, um eine Selbstzündungstemperatur zu erreichen und in der Folge einen Flammenrückschlag hervorzurufen. Darüber hinaus wird die einwandfreie Vermischung des Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Verwirbelungsdynamik bestimmt, die wiederum von dem Abstand zwischen der Leitschaufeleinheit 206a und 206b und der Flammenfront 212 abhängt. Eine unzureichende Vermischung des Brennstoffs und der Luft kann ein unerwünschtes Emissionsverhalten in der Brennkammer 104 zur Folge haben. Dementsprechend ist das veranschaulichte Ausführungsbeispiel wenigstens teilweise in der Lage, die Brennstoffkonzentrationswellen 216a und 216b mittels destruktiver Interferenz in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und der Art des verwendeten Brennstoffs zu dämpfen.
Mit Bezug auf die Vormischeinrichtung A 202a und Vormischeinrichtung C 202c von 2 kann eine exemplarische Gasturbine 100 in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wenigstens zwei Vormischeinrichtungen enthalten, die die Verbrennungsdynamik dämpfen, während sie zusätzlich die Brennstoffflexibilität durch eine versetzte Anordnung der Orte der Diffusionsdüsen verbessern. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Diffusionsdüse 208a der Vormischeinrichtung A 202a in einem axialen Abstand D₁ von der Flammenfront 212 angeordnet sein, während die Diffusionsdüse 208c der Vormischeinrichtung C 202c in einem axialen Abstand D₂ von der Flammenfront 212 angeordnet sein kann, so dass D₁ ungleich D₂ ist. Dementsprechend sind die Orte der Diffusionsdüsen 208a und 208c in Bezug zueinander axial versetzt. Eine Diffusionsdüse kann in Form einer ebenen Scheibe oder einer sonstigen Fläche ausgebildet sein, um eine akustische Reflexion zu ermöglichen. In Ausführungsbeispielen können die Diffusionsdüsen außerdem (nicht gezeigte) Brennstoffeinspritzmündungen aufweisen, die dazu dienen, die Flamme unter Bedingungen geringer Betriebslast aufrecht zu erhalten. Darüber hinaus kann die Leitschaufeleinheit A 206a der Vormischeinrichtung A 202a und die Leitschaufeleinheit C 206c der Vormischeinrichtung C 202c, wie durch 2 veranschaulicht, in einem Ausführungsbeispiel axial in derselben Ebene fluchtend ausgerichtet - in einem axialen Abstand L₁ von der Flammenfront 212 positioniert sein. Allerdings können die Orte der Leitschaufeleinheiten, wie oben beschrieben, in anderen Ausführungsbeispielen ebenfalls in Bezug zueinander axial versetzt sein, wie es durch die relativen axialen Positionen der Leitschaufeleinheit A 206a und der Leitschaufeleinheit B 206b gezeigt ist.
Die axial versetzte Anordnung der Diffusionsdüsen bewirkt, dass die Zeitverzögerung, die der Reflexion der Druckschwankungen 214a und 214c von den Diffusionsdüsen 208a bzw. 208c her zugeordnet ist, eine Phasendifferenz in den reflektierten Druckschwankungen erzeugt, die anschließend einer Interferenz mit den Druckschwankungen 214a und 214c in der Brennkammer 104 ausgesetzt sind. Außerdem können die in den Vormischeinrichtungen 202a bzw. 202c erzeugten Brennstoffkonzentrationswellen 216a und 216c gemäß diesem Ausführungsbeispiel sich teilweise gegeneinander aufheben, während sie gleichzeitig mit einer Phasendifferenz behaftete Wärmefreigabeschwankungen erzeugen, die einer Interferenz mit den Druckschwankungen 214a und 214b in der Brennkammer 104 ausgesetzt sind. Allerdings kann die versetzte Anordnung der Diffusionsdüsen 208a und 208c in einigen Ausführungsbeispielen die Verwirbelungsdynamik der Strömung beeinträchtigen, was bedeutet, das die relative Beabstandung zwischen den Diffusionsdüsen geeignet auszuwählen ist, um eine einwandfreie Vermischung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten.
Mit Bezug auf die Vormischeinrichtung B 202b und Vormischeinrichtung C 202c von 2 kann die Gasturbine 100 in noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wenigstens zwei Vormischeinrichtungen enthalten, um die Verbrennungsdynamik in der Brennkammer 104 zu dämpfen, indem sowohl die Orte der Leitschaufeleinheiten als auch die Orte der Diffusionsdüsen versetzt angeordnet sind. Die Leitschaufeleinheit B 206b der Vormischeinrichtung B 202b kann an einer ersten axialen Position in einem Abstand L₂ von der Flammenfront 212 angeordnet sein, während die Leitschaufeleinheit C 206c der Vormischeinrichtung C 202c an einer zweiten axialen Position in einem Abstand L₁ von der Flammenfront 212 angeordnet sein kann, so dass L₁ ungleich L₂ ist. Die Leitschaufeleinheit 206b und 206c sind in diesem Ausführungsbeispiel in Bezug zueinander axial versetzt. Ähnlich, wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, kann die Diffusionsdüse 208b der Vormischeinrichtung B 202b in einem axialen Abstand D₁ von der Flammenfront 212 angeordnet sein, während die Diffusionsdüse 208c der Vormischeinrichtung C 202c in einem axialen Abstand D₂ von der Flammenfront 212 angeordnet sein kann, so dass D₁ ungleich D₂ ist. Dementsprechend sind die Diffusionsdüsen 208b und 208c ebenfalls in Bezug zueinander axial versetzt. In diesem Ausführungsbeispiel mit versetzten Leitschaufeleinheiten und Diffusionsdüsen, sind die Parameter, die die Phasenbeziehung zwischen den Druckschwankungen 214b und 214c in der Brennkammer 104 und den Brennstoffkonzentrationswellen 216b und 216c bestimmen, die relativ versetzten Abstände zwischen den Leitschaufeleinheiten und den Diffusionsdüsen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Gasturbine 100 mit Bezug auf die Vormischeinrichtung A 202a und die Vormischeinrichtung B 202b von 2 wenigstens zwei Vormischeinrichtungen enthalten, die sowohl versetzte Orte der Leitschaufeleinheiten als auch versetzte Orte der Brennstoffeinspritzmündungen aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Leitschaufeleinheit 206a der Vormischeinrichtung A 202a in einem axialen Abstand L₁ von der Flammenfront 212 angeordnet sein, während die Leitschaufeleinheit 206b der Vormischeinrichtung B 202b in einem axialen Abstand L₂ von der Flammenfront 212 angeordnet sein kann, so dass L₁, wie zuvor beschrieben, ungleich L₂ ist. Somit sind die Orte der Leitschaufeleinheiten 206a und 206b in Bezug zueinander axial versetzt. Darüber hinaus können die Brennstoffeinspritzmündung 204a der Vormischeinrichtung A 202a und die Brennstoffeinspritzmündung 204b der Vormischeinrichtung B 202b in diesem Ausführungsbeispiel in Bezug zueinander axial versetzt sein. Die axial versetzte Anordnung der Brennstoffeinspritzmündungen 204a und 204b kann sich zumindest teilweise aus der axial versetzten Anordnung der Leitschaufeleinheiten 206a und 206b ergeben, in denen die Brennstoffeinspritzmündungen ausgebildet sind. Allerdings können die Brennstoffeinspritzmündungen in weiteren Ausführungsbeispielen aufgrund einer versetzten Anordnung der relativen Brennstoffeinspritzmündungsorte in einer Leitschaufeleinheit im Vergleich zu den relativen Brennstoffeinspritzmündungsorten in einer weiteren Leitschaufeleinheit versetzt sein.
Somit können die Parameter L₁, L₂, D₁ und D₂, die die relativen Anordnungen der Leitschaufeleinheiten, der Diffusionsdüsen und/oder der Brennstoffeinspritzmündungen kennzeichnen können, geeignet ausgewählt werden, um die Verbrennungsdynamik in der Brennkammer 104 zu dämpfen. Die Steigerung der Anzahl von Parametern ermöglicht Flexibilität des Betriebs, erlaubt die Begrenzung des Auftretens von Verbrennungsdynamik, erhöht die Flexibilität des Einsatzes in Zusammenhang mit einer größeren Auswahl von Brennstoffarten und verbessert das Emissionsverhalten der Gasturbine.
3 zeigt in einem Längsschnitt einen Abschnitt eine exemplarische Gasturbine 100, die drei Vormischeinrichtungen mit axial versetzten Leitschaufeleinheiten und/oder Diffusionsdüsen und axial fluchtend ausgerichtete Brennstoffeinspritzmündungen aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel enthält die Gasturbine 100 eine erste Vormischeinrichtung, eine zweite Vormischeinrichtung und eine dritte Vormischeinrichtung, die nachstehend als Vormischeinrichtung D 302a, Vormischeinrichtung E 302b und Vormischeinrichtung F 302c bezeichnet sind; jedoch können in weiteren Ausführungsbeispielen beliebig viele Vormischeinrichtungen verwendet werden. Die Vormischeinrichtungen 302a, 302b und 302c können Brennstoffeinspritzmündungen 304a, 304b und 304c, eine erste Leitschaufeleinheit 306a, eine zweite Leitschaufeleinheit 306b und eine dritte Leitschaufeleinheit 306c, die nachstehend als Leitschaufeleinheit D 306a, Leitschaufeleinheit E 306b und Leitschaufeleinheit F 306c bezeichnet sind, und Diffusionsdüsen 308a, 308b und 308c in dem zentralen Grundkörper 310a, 310b bzw. 310c enthalten. Die (nicht gezeigten) Brennstoffinjektoren stehen in Strömungsverbindung mit den Brennstoffeinspritzmündungen 304a, 304b und 304c und sind so angeordnet, dass der Brennstoff zunächst in den Luftstrom eingebracht wird, und dass danach abstromseitig der Brennstoffinjektoren eine Verwirbelung durch die Leitschaufeleinheiten 306a, 306b und 306c auferlegt wird. Diese Positionierung der Brennstoffinjektoren und der Leitschaufeleinheiten 306a, 306b und 306c ermöglicht eine verbesserte Vermischung von Brennstoff und Luft aufgrund der Scherwirkung, die durch die Leitschaufeleinheiten 306a, 306b und 306c bereitgestellt wird, die den Strom zerstäuben und verwirbeln.
In dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind mit Bezug auf die Vormischeinrichtung E 302b und die Vormischeinrichtung F 302c die Brennstoffeinspritzmündungen 304b und 304c der Vormischeinrichtungen 302b und 302c, nachdem sie im Wesentlichen in demselben Abstand von der Flammenfront 312 angeordnet sind, axial fluchtend ausgerichtet, wohingegen die Auslassorte oder Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten 306b und 306c in Bezug zueinander axial versetzt sind. Wie durch dieses Ausführungsbeispiel veranschaulicht, können die Brennstoffeinspritzmündungen 304b in einem axialen Abstand L₁ von der Flammenfront 312 angeordnet sein, während die Abströmkante der Leitschaufeleinheit E 306b an einer ersten axialen Position in einem Abstand D₂ von der Flammenfront 312 angeordnet sein kann. In diesem Beispiel können die Brennstoffeinspritzmündungen 304c der Vormischeinrichtung F 302c ebenfalls in einem axialen Abstand L₁ von der Flammenfront 312 angeordnet sein, während die Abströmkante der Leitschaufeleinheit F 306c an einer zweiten axialen Position in einem Abstand D₃ von der Flammenfront 312 angeordnet sein kann, so dass D₂ ungleich D₃ ist. In dem hier verwendeten Sinne kann sich der Begriff „Auslassort“ auf die Abströmkante der Schaufeln der Leitschaufeleinheit oder auf den am weitesten stromabwärts angeordneten Abschnitt der Leitschaufeleinheit beziehen. Dementsprechend ist in diesem Ausführungsbeispiel die axiale Position des Auslassorts der Leitschaufeleinheit E 306b relativ zu der axialen Position des Auslassorts der Leitschaufeleinheit F 306c axial versetzt, während die Brennstoffeinspritzmündungen 304b und 304c axial fluchtend ausgerichtet sind. Dies kann in einem Ausführungsbeispiel mittels Leitschaufeleinheiten erreicht werden, die unterschiedlich bemessen sind, so dass die entsprechenden Brennstoffeinspritzmündungen an derselben axialen Position fluchtend ausgerichtet sein können, während die Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten hingegen an unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet sein können. Beispielsweise sind die Leitschaufeleinheiten 306a, 306b und 306c, wie in 3 veranschaulicht, jeweils unterschiedlich bemessen, was eine fluchtende Anordnung der Brennstoffeinspritzmündungen erlaubt, während die Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten an versetzten Positionen angeordnet sind.
Weiter bewegen sich mit Bezug auf die Vormischeinrichtung E 302b und Vormischeinrichtung F 302c die in der Brennkammer 104 gebildeten Druckschwankungen großer Amplitude 314b von der Flammenfront 312 ausgehend stromaufwärts und erreichen mit einer Zeitverzögerung die Brennstoffeinspritzmündungen 304b der Vormischeinrichtung E 302b. Die Zeitverzögerung kann wiedergegeben werden durch: $\frac{L_{1}}{c - v}$
Die Druckschwankungen 314b erreichen die Leitschaufeleinheit E 306b ebenfalls mit einer Zeitverzögerung. Die Zeitverzögerung kann in diesem Falle wiedergegeben werden durch: $\frac{D_{2}}{c - v}$
mit c gleich der Schallgeschwindigkeit, und v gleich der mittleren Strömungsgeschwindigkeit in jeder der Vormischeinrichtungen 302b und 302c. Die Druckschwankungen 314b und 314c treten mit den Brennstoffeinspritzmündungen 304b und 304c und den Leitschaufeleinheiten 306b und 306c jeder der Vormischeinrichtungen 302b und 302c in Wechselwirkung, was eine erste Brennstoffkonzentrationswelle und eine zweite Brennstoffkonzentrationswelle hervorruft (die im Folgenden als Brennstoffkonzentrationswellen 316b bzw. 316c bezeichnet sind), die sich anschließend stromabwärts bewegen und mit einer weiteren Zeitverzögerung die Flammenfront 312 erreichen. Die Zeitverzögerung, die dem Erreichen der Flammenfront 312 von den Brennstoffeinspritzmündungen 304b her zugeordnet ist, kann wiedergegeben werden durch: $\frac{L_{1}}{v},$
und die Zeitverzögerung, die dem Erreichen der Flammenfront 312 von der Leitschaufeleinheit E 304b her zugeordnet ist, kann wiedergegeben werden durch: $\frac{D_{2}}{v}$
Somit kann die Gesamtzeitverzögerung, die der Brennstoffkonzentrationswelle 316b in der Vormischeinrichtung E 302b zugeordnet ist, in diesem Ausführungsbeispiel wiedergegeben werden durch: $L_{1} (\frac{1}{c - v} + \frac{1}{v}) + D_{2} (\frac{1}{c - v} + \frac{1}{v}) .$
In ähnlicher Weise kann die Zeitverzögerung, die der Brennstoffkonzentrationswelle 316c in der Vormischeinrichtung F 302c zugeordnet ist, in diesem Ausführungsbeispiel wiedergegeben werden durch: $L_{1} (\frac{1}{c - v} + \frac{1}{v}) + D_{3} (\frac{1}{c - v} + \frac{1}{v}) .$
Diese Zeitverzögerung spiegelt eine Phasenverschiebung der von den Brennstoffkonzentrationswellen 316b und 316c herrührenden Wärmefreigabeschwankungen wider, die zumindest zum Teil durch die Parameter L₁, D₂ bzw. D₃ beeinflusst werden können. Somit können durch eine geeignet Wahl der Abstände L₁, D₂ und D₃ die in den Vormischeinrichtungen 302b und 302c ausgebildeten Brennstoffkonzentrationswellen 316b und 316c in einem Beispiel eine Phasendifferenz von etwa 180° (Kreisgrade) aufweisen. Eine Phasendifferenz ermöglicht, dass die in den Brennstoffeinspritzmündungen 304b und 304c und in den Leitschaufeleinheiten 306b und 306c erzeugten Brennstoffkonzentrationswellen 316b und 316c sich wenigstens teilweise gegeneinander aufheben, so dass Verbrennungsdynamik unterdrückt wird.
In einem auch in 3 veranschaulichten anderen Ausführungsbeispiel kann mit Bezug auf die Vormischeinrichtung D 302a und die Vormischeinrichtung E 302b eine exemplarische Gasturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Vormischeinrichtungen mit axial versetzten Diffusionsdüsen enthalten. In diesem Beispiel kann die Diffusionsdüse 308a der Vormischeinrichtung D 302a relativ zu der Diffusionsdüse 308b der Vormischeinrichtung E 302b axial versetzt sein. Die Diffusionsdüse 308a kann in einem axialen Abstand L₂ von der Flammenfront 312 angeordnet sein, während die Diffusionsdüse 308b in einem axialen Abstand L₃ von der Flammenfront 312 angeordnet sein kann, so dass L₂ ungleich L₃ ist. Wie oben beschrieben, können die Brennstoffeinspritzmündungen 304a und 304b, in einem axialen Abstand L₁ von der Flammenfront 312 positioniert, axial fluchtend ausgerichtet sein. In diesem Beispiel sind die Leitschaufeleinheiten 306a und 306b in Bezug zueinander axial versetzt, wobei die Leitschaufeleinheit D 306a an einer ersten axialen Position in einem Abstand D₁ von der Flammenfront 312 positioniert ist, und wobei die Leitschaufeleinheit E 306b an einer zweiten axialen Position in einem Abstand D₂ von der Flammenfront 312 positioniert ist. Es ist jedoch selbstverständlich, dass in anderen Ausführungsbeispielen eine oder mehrere Brennstoffeinspritzmündungen, wie anhand 2 beschrieben, versetzt angeordnet sein können, ein oder mehrere Leitschaufeleinheit fluchtend ausgerichtet sein können, oder ein oder mehrere Diffusionsdüsen, z.B. die Diffusionsdüsen 308b und 308c, fluchtend ausgerichtet sein können.
Die der Reflexion zugeordnete Zeitverzögerung erzeugt eine Phasendifferenz in den reflektierten Druckschwankungen, die möglicherweise mit den Druckschwankungen 314a und 314b in der Brennkammer 104 interferiert. Darüber hinaus können in den Vormischeinrichtungen 302a und 302b eine erste Brennstoffkonzentrationswelle 316a und eine zweite Brennstoffkonzentrationswelle 316b entstehen, die ebenfalls mit den Druckschwankungen 314a und 314b in der Brennkammer 104 interferieren können. Dementsprechend ermöglicht ein Ausführungsbeispiel, das sowohl axial versetzte Leitschaufeleinheiten als auch axial versetzte Diffusionsdüsen enthält, wie sie durch die Vormischeinrichtungen 302a und 302b veranschaulicht sind, vielfältige Wahlmöglichkeiten hinsichtlich der Parameter L₁, L₂, L₃, D₁ und D₂, die die Verbrennungsdynamik in der Brennkammer 104 wenigstens teilweise dämpfen können, wobei die mathematische Analyse der oben erläuterten ähnelt. Eine Erweiterung der Auswahl an verfügbaren einstellbaren Parametern von drei Parametern (L₁, D₁, D₂), wie im Falle eines Ausführungsbeispiels, das axial versetzte Leitschaufeleinheiten und axial fluchtend ausgerichtete Diffusionsdüsen aufweist, auf fünf Parameter (L₁, L₂, L₃, D₁, D₂), wie im Falle eines Ausführungsbeispiels, das axial versetzte Leitschaufeleinheiten und Diffusionsdüsen aufweist, steigert die Brennstoffflexibilität der Gasturbine und verbessert außerdem das Emissionsverhalten der Gasturbine.
Es ist selbstverständlich, dass in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung vielfältige Kombinationen axial versetzter Komponenten, wie im Vorliegenden beschrieben, verwendet werden können, um die Verbrennungsdynamik einer Gasturbine zu dämpfen. Außerdem können in anderen Ausführungsbeispielen Diffusionsdüsen eine oder mehrere (nicht gezeigte) Brennstoffeinspritzmündungen aufweisen, die dazu dienen, die Flamme während Niederlastbetriebsbedingungen aufrecht zu erhalten, beispielsweise, wenn das Brennstoff-Luft-Gemisch sehr mager ist, oder wenn Brennstoffe mit hohem Wasserstoffanteil, z.B. Synthesegas, verwendet werden. Die optionale Verwendung von in der Diffusionsdüse ausgebildeten Brennstoffeinspritzmündungen kann eine zusätzliche Dämpfung der Verbrennungsdynamik der Brennkammer ermöglichen.
4 veranschaulicht ein exemplarisches Verfahren, nach dem ein Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeiten kann. Vorgeschlagen ist ein Flussdiagramm 400, das ein exemplarisches Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer veranschaulicht, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das exemplarische Verfahren beginnt mit einem Block 402. In Block 402 kann Brennstoff und Luft in einer ersten Vormischeinrichtung vermischt werden. Die Vormischeinrichtung enthält wenigstens eine Brennstoffdüse, wenigstens einen Lufteinlasskanal und wenigstens eine Leitschaufeleinheit. Die Leitschaufeleinheit ist an einer ersten axialen Position in der ersten Vormischeinrichtung positioniert. Brennstoff kann in den Luftstrom durch Brennstoffeinspritzmündungen gepumpt werden, die in einer oder mehreren Leitschaufeleinheiten ausgebildet sind. Der Brennstoff kann anschließend durch die ersten Leitschaufeleinheit verwirbelt werden, um eine gleichmäßige Vermischung des Brennstoffs und der Luft zu fördern.
Auf Block 402 folgt Block 404, in dem Brennstoff und Luft in einer zweiten Vormischeinrichtung in einer Weise vermischt werden können, die weitgehend der anhand Block 402 beschriebenen ähnelt. Die zweite Vormischeinrichtung kann ebenfalls wenigstens eine Brennstoffdüse, wenigstens einen Lufteinlasskanal und wenigstens eine Leitschaufeleinheit enthalten. Die Leitschaufeleinheit ist an einer zweiten axialen Position positioniert, so dass die erste axiale Position der Leitschaufeleinheit in der ersten Vormischeinrichtung und die zweite axiale Position der Leitschaufeleinheit in der zweiten Vormischeinrichtung in Bezug zueinander axial versetzt sind.
Jede Leitschaufeleinheit in jeder der Vormischeinrichtungen kann mehrere Leitschaufeln enthalten. Jede der Leitschaufeln ist mit einer Abströmkante ausgebildet. In Ausführungsbeispielen können die Brennstoffeinspritzmündungen in jeder Leitschaufeleinheit axial fluchtend ausgerichtet sein; jedoch können die Brennstoffeinspritzmündungen in anderen Ausführungsbeispielen in jeder Leitschaufeleinheit relativ zu den übrigen axial versetzt sein, wie es eingehender anhand 2-3 beschrieben ist.
Jede Vormischeinrichtung kann ferner eine Diffusionsdüse enthalten. In Ausführungsbeispielen können die Diffusionsdüsen in jeder Leitschaufeleinheit in Bezug auf die übrigen axial fluchtend ausgerichtet sein; jedoch können die Diffusionsdüsen in anderen Ausführungsbeispielen in jeder Leitschaufeleinheit relativ zu den übrigen axial versetzt sein, wie es eingehender anhand 2-3 beschrieben ist.
Auf Block 404 folgt Block 406, in dem das Brennstoff-Luft-Gemisch sowohl aus der ersten Vormischeinrichtung als auch aus der zweiten Vormischeinrichtung zur Verbrennung in die Brennkammer ausgestoßen werden kann.
Auf Block 406 folgt Block 408, in dem das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer verbrannt wird. Die axiale versetzte Anordnung der Leitschaufeleinheiten innerhalb wenigstens der ersten und/oder der zweiten Vormischeinrichtung dämpft die Verbrennungsdynamik, wie oben beispielsweise anhand von 2 und 3 beschrieben. Beispielsweise verursacht wenigstens ein Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches während der Verbrennung eine Wärmefreigabeschwankung, die sich stromaufwärts zu der ersten Vormischeinrichtung und zu der zweiten Vormischeinrichtung hin ausbreitet. Anschließend entstehen in der ersten Vormischeinrichtung eine erste Brennstoffkonzentrationswelle und in der zweiten Vormischeinrichtung eine zweite Brennstoffkonzentrationswelle, die sich stromabwärts zu dem Flammenbrennbereich bewegen. Aufgrund der versetzten Anordnung von Leitschaufeleinheiten, Diffusionsdüsen, Brennstoffeinspritzmündungen in beliebiger Kombination kann die zweite Brennstoffkonzentrationswelle gegenüber der ersten Brennstoffkonzentrationswelle phasenverschoben sein, so dass die Verbrennungsdynamik gedämpft ist.
In vielfältigen Verbrennungssystemen kann die Verbrennungsdynamik aufgrund magerer Brennstoff-Luft-Gemische auftreten, die eingesetzt werden, um beispielsweise NO_x-Emissionen zu senken. Diese Instabilitäten können teilweise von der Flammendynamik der Verbrennungsflamme abhängen, wobei die Flammendynamik ihrerseits von der Art des verwendeten Brennstoffs bestimmt wird. Dementsprechend können Verfahren und Systeme zur Reduzierung der Verbrennungsdynamik dazu eingerichtet sein, die Verwendung unterschiedlicher Arten von Brennstoffen, beispielsweise Synthesegas, Erdgas, oder dergleichen, zuzulassen. Die axial versetzte Anordnung von Leitschaufeleinheiten sowie eine optional versetzte Anordnung von Diffusionsdüsen, um die Verbrennungsdynamik zu reduzieren, können mit Blick auf die Art des verwendeten Brennstoffs eingestellt werden. Beispielsweise können verschiedene Parameter, z.B. der Versatz von Leitschaufeleinheiten, der Versatz von Brennstoffeinspritzmündungen und/oder der Versatz von Diffusionsdüsen, wie im Vorausgehenden anhand 3 beschrieben, geeignet gewählt werden, um die Verbrennungsdynamik in entsprechender Weise zu unterdrücken, und um außerdem eine Steigerung der Brennstoffflexibilität der Gasturbine und eine verbesserte Betreibbarkeit zu erzielen.
Viele Modifikationen und weitere Ausführungsbeispiele der im Vorliegenden erörterten exemplarischen Beschreibungen, auf die sich diese Beschreibungen beziehen, werden in den Sinn kommen, nachdem die Vorteile der Lehre in den vorausgehenden Beschreibungen und anhand der zugehörigen Zeichnungen unterbreitet wurden. Es ist daher klar, dass die Erfindung in vielfältigen Formen ausgeführt werden kann und nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll. Demzufolge ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll, und dass Modifikationen und weitere Ausführungsbeispiele in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen sollen. Obwohl im Vorliegenden spezielle Begriffe verwendet werden, werden diese lediglich in einem oberbegrifflichen und beschreibenden Sinne und nicht für Zwecke einer Beschränkung verwendet.
Geschaffen sind Ausführungsbeispiele von Verfahren und Systemen zur Verminderung von Verbrennungsdynamik. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Brennkammer eine erste Vormischeinrichtung und eine zweite Vormischeinrichtung enthalten. Jede Vormischeinrichtung kann wenigstens einen Brennstoffinjektor, wenigstens einen Lufteinlasskanal und wenigstens eine Leitschaufeleinheit aufweisen, um die Luft aus dem wenigstens einen Lufteinlasskanal und Brennstoff aus dem wenigstens einen Brennstoffinjektor wenigstens teilweise zu vermischen. Jede Leitschaufeleinheit kann mehrere Brennstoffeinspritzmündungen aufweisen, durch die wenigstens ein Teil des Brennstoffs und wenigstens ein Teil der Luft strömen kann. Die wenigstens eine Leitschaufeleinheit der ersten Vormischeinrichtung kann an einer ersten axialen Position angeordnet sein, und die wenigstens eine Leitschaufeleinheit der zweiten Vormischeinrichtung kann an einer zweiten axialen Position angeordnet sein, die in Bezug auf die erste axiale Position axial versetzt ist.
Bezugszeichenliste:

100: Gasturbine
102: Verdichter
104: Brennkammer
106: Turbine
108: externe Welle
110a: erste Vormischeinrichtung
110b: zweite Vormischeinrichtung
112a: Lufteinlasskanal der ersten Vormischeinrichtung
112b: Lufteinlasskanal der zweiten Vormischeinrichtung
114a: Luftauslass der ersten Vormischeinrichtung
114b: Luftauslass der zweiten Vormischeinrichtung
116a: verwirbeltes Brennstoff-Luft-Gemisch in der ersten Vormischeinrichtung
116b: verwirbeltes Brennstoff-Luft-Gemisch in der zweiten Vormischeinrichtung
118a: Brennstoffinjektor in der ersten Vormischeinrichtung
118b: Brennstoffinjektor in der zweiten Vormischeinrichtung
120a: Brennstoff-Luft-Gemisch in der ersten Vormischeinrichtung
120b: Brennstoff-Luft-Gemisch in der zweiten Vormischeinrichtung
122a: erste Leitschaufeleinheit
122b: zweite Leitschaufeleinheit
124a: Brennstoffeinspritzmündungen der ersten Vormischeinrichtung
124b: Brennstoffeinspritzmündungen der zweiten Vormischeinrichtung
202a: erste Vormischeinrichtung
202b: zweite Vormischeinrichtung
202c: dritte Vormischeinrichtung
204a: Brennstoffeinspritzmündungen
204b: Brennstoffeinspritzmündungen
204c: Brennstoffeinspritzmündungen
206a: erste Leitschaufeleinheit
206b: zweite Leitschaufeleinheit
206c: dritte Leitschaufeleinheit
208a: Diffusionsdüse
208b: Diffusionsdüse
208c: Diffusionsdüse
210a: Zentralgrundkörper
210b: Zentralgrundkörper
210c: Zentralgrundkörper
212: Flammenfront
214a: Druckschwankungen
214b: Druckschwankungen
214c: Druckschwankungen
216a: Brennstoffkonzentrationswelle
216b: Brennstoffkonzentrationswelle
216c: Brennstoffkonzentrationswelle
302a: erste Vormischeinrichtung
302b: zweite Vormischeinrichtung
302c: dritte Vormischeinrichtung
304c: Brennstoffeinspritzmündungen der dritten Vormischeinrichtung
306a: erste Leitschaufeleinheit
306b: zweite Leitschaufeleinheit
306c: dritte Leitschaufeleinheit
308a: Diffusionsdüse
308b: Diffusionsdüse
308c: Diffusionsdüse
310a: Zentralgrundkörper
310b: Zentralgrundkörper
310c: Zentralgrundkörper
312: Flammenfront
314a: Druckschwankungen
314b: Druckschwankungen
314c: Druckschwankungen
316a: Brennstoffkonzentrationswelle
316b: Brennstoffkonzentrationswelle
316c: Brennstoffkonzentrationswelle
400: Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkammer 104
402: Schritt 1 von Verfahren 400
404: Schritt 2 von Verfahren 400
406: Schritt 3 von Verfahren 400
408: Schritt 4 von Verfahren 400

Claims

Brennkammer (104) für eine Gasturbine (100), mit: einer ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) und einer zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b), wobei jede Vormischeinrichtung wenigstens einen Brennstoffinjektor (118a, 118b), wenigstens einen Lufteinlasskanal (112a, 112b) und wenigstens eine Leitschaufeleinheit (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) aufweist, um Luft aus dem wenigstens einen Lufteinlasskanal (112a, 112b) und Brennstoff aus dem wenigstens einen Brennstoffinjektor (118a, 118b) wenigstens teilweise zu vermischen; wobei jede der Leitschaufeleinheiten (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) mehrere Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 120b; 204a, 204b; 304a, 304b) aufweist, durch die wenigstens ein Teil des Brennstoffs eingespritzt wird, wobei Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) jeweils stromabwärts der zugehörigen Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 120b; 204a, 204b; 304a, 304b) relativ zu der Strömung in Axialrichtung durch die jeweilige Vormischeinrichtung (110a, 110b; 202a, 202b; 302a, 302b) angeordnet sind; wobei die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122a, 206a, 306a) der ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) an einer ersten axialen Position positioniert ist, und wobei die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122b, 206b, 306b) der zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b) an einer zweiten axialen Position positioniert ist, die in Bezug auf die erste axiale Position axial versetzt ist.
Brennkammer (104) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Leitschaufeleinheit (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) mehrere Leitschaufeln enthält, wobei jede Leitschaufel die Abströmkante an der jeweiligen ersten oder zweiten axialen Position aufweist.
Brennkammer (104) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 204a, 304a) der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122a, 206a, 306a) der ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) und die mehreren Brennstoffeinspritzmündungen (120b, 204b, 304b) der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122b, 206b, 306b) der zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b) an gleicher axialer Position bezüglich einer zentralen Achse der Brennkammer (104) positioniert sind.
Brennkammer (104) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 204a, 304a) der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122a, 206a, 306a) der ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) relativ zu den mehreren Brennstoffeinspritzmündungen (120b, 204b, 304b) der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122b, 206b, 306b) der zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b) axial versetzt sind.
Brennkammer (104) nach Anspruch 1, wobei die erste Vormischeinrichtung (202a) und die zweite Vormischeinrichtung (202b) jeweils zusätzlich eine Diffusionsdüse (208a, 208b) aufweisen, die stromabwärts der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (206a, 206b) angeordnet sind, wobei die Diffusionsdüse (208a) der ersten Vormischeinrichtung (202a) und die Diffusionsdüse (208b) der zweiten Vormischeinrichtung (202b) an gleicher axialer Position bezüglich einer zentralen Achse der Brennkammer (104) positioniert sind.
Brennkammer (104) nach Anspruch 1, wobei die erste Vormischeinrichtung (302a) und die zweite Vormischeinrichtung (302b) jeweils zusätzlich eine Diffusionsdüse (308a, 308b) aufweisen, die stromabwärts der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (306a, 306b) angeordnet sind, wobei die Diffusionsdüse (308a) der ersten Vormischeinrichtung (302a) relativ zu der Diffusionsdüse (308b) der zweiten Vormischeinrichtung (302b) axial versetzt ist.
Brennkammer (104) nach Anspruch 1, wobei die relative Beabstandung zwischen der ersten axialen Position und der zweiten axialen Position ausgewählt ist, um eine Phasendifferenz zwischen Druckoszillationen und Wärmefreigabeoszillationen für eine destruktive Interferenz zu erzielen, um die in der Brennkammer (104) hervorgebrachte Verbrennungsdynamik zu vermindern.
Verfahren (400) zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer (104), mit den Schritten: Mischen von Brennstoff (402) und Luft in einer ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a), die wenigstens einen Brennstoffinjektor (118a), wenigstens einen Lufteinlasskanal (112a) und wenigstens eine Leitschaufeleinheit (122a, 206a, 306a) mit einer Abströmkante an einer ersten axialen Position aufweist; Mischen von Brennstoff (404) und Luft in einer zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b), die wenigstens einen Brennstoffinjektor (118b), wenigstens einen Lufteinlasskanal (112b) und wenigstens eine Leitschaufeleinheit (122b, 206b, 306b) mit einer Abströmkante an einer zweiten axialen Position aufweist, die in Bezug auf die erste axiale Position axial versetzt ist; wobei jede der Leitschaufeleinheiten (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) mehrere Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 120b; 204a, 204b; 304a, 304b) aufweist, durch die wenigstens ein Teil des Brennstoffs eingespritzt wird, wobei die Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) jeweils stromabwärts der zugehörigen Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 120b; 204a, 204b; 304a, 304b) relativ zu der Strömung in Axialrichtung durch die jeweilige Vormischeinrichtung (110a, 110b; 202a, 202b; 302a, 302b) angeordnet sind, so dass der Brennstoff zunächst durch die Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 120b; 204a, 204b; 304a, 304b) eingespritzt und anschließend bis zum Erreichen der Abströmkante der jeweiligen Leitschaufeleinheit (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) durch diese verwirbelt wird, um mit der Luft vermischt zu werden; Ausstoßen (406) des Brennstoff-Luft-Gemisches aus der ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) und aus der zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b) zu einer Brennkammer (104); und Verbrennen (408) wenigstens eines Teils des aus der ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) und aus der zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b) stammenden Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer (104).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die wenigstens eine Leitschaufeleinheit (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) mehrere Leitschaufeln enthält, wobei jede Leitschaufel die Abströmkante an der jeweiligen ersten oder zweiten axialen Position aufweist.
Gasturbine (100), zu der gehören: ein Verdichter (102); eine Brennkammer (104); zumindest eine erste Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) und eine zweite Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b), die der Brennkammer (104) zugeordnet sind, wobei jede Vormischeinrichtung (110a, 110b; 202a, 202b; 302a, 302b) wenigstens einen Brennstoffinjektor (118a, 118b), wenigstens einen Lufteinlasskanal (112a, 112b) und wenigstens eine Leitschaufeleinheit (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) aufweist, um Luft aus dem wenigstens einen Lufteinlasskanal (112a, 112b) und Brennstoff aus dem wenigstens einen Brennstoffinjektor (118a, 118b) wenigstens teilweise zu vermischen; wobei jede der Leitschaufeleinheiten (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) mehrere Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 120b; 204a, 204b; 304a, 304b) aufweist, durch die wenigstens ein Teil des Brennstoffs eingespritzt wird, wobei Abströmkanten der Leitschaufeleinheiten (122a, 122b; 206a, 206b; 306a, 306b) jeweils stromabwärts der zugehörigen Brennstoffeinspritzmündungen (120a, 120b; 204a, 204b; 304a, 304b) relativ zu der Strömung in Axialrichtung durch die jeweilige Vormischeinrichtung (110a, 110b; 202a, 202b; 302a, 302b) angeordnet sind; wobei die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122a, 206a, 306a) der ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) in der ersten Vormischeinrichtung (110a, 202a, 302a) an einer ersten axialen Position positioniert ist und die Abströmkante der wenigstens einen Leitschaufeleinheit (122b, 206b, 306b) der zweiten Vormischeinrichtung (110b, 202b, 302b) in der zweiten Vormischeinrichtung (202b) an einer zweiten axialen Position positioniert ist, die in Bezug auf die erste axiale Position axial versetzt ist.