DE68923413T2

DE68923413T2 - Kraftstoff-Luftvormischvorrichtung für eine Gasturbine.

Info

Publication number: DE68923413T2
Application number: DE68923413T
Authority: DE
Inventors: Osamu Arai; Seiichi Kirikami; Michio Kuroda; Isao Sato; Nobuo Shimizu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-09-07
Filing date: 1989-09-05
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2009-09-06
Also published as: EP0358437B1; US5016443A; DE68923413D1; EP0358437A1

Description

UMFELD DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoff-Luft-Vormischeinrichtung für eine Gasturbine, vorzugsweise für eine solche, die bei hohen Gastemperaturen arbeitet.
Eine bekannte Kraftstoff-Luft-Vormischeinrichtung für eine Gasturbine ist in der der US-Patentanmeldung 752,680 entsprechenden japanischen Offenlegungsschrift 61-22127 offenbart. Diese bekannte Vormischeinrichtung hat mehrere stabförmige, kreisförmig angeordnete Kraftstoffdüsen. Der von diesen Düsen ausgestoßene Kraftstoff wird vergast und mit Verbrennungsluft gemischt, so daß ein aus dem Kraftstoff und der Luft in einem geeigneten Verhältnis erzeugtes Vorgemisch in gutem Zustand am Auslaß der Vormischeinrichtung abgegeben wird.
Diese bekannte Vormischeinrichtung weist das Problem auf, daß sich dann, wenn die Kapazität der Vormischeinrichtung zur Unterdrückung von NOx-Emissionen aus einer mit dieser Vormischeinrichtung versehenen Gasturbine erhöht wird, am Auslaß der Vormischeinrichtung eine ungleichförmige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit in Radialrichtung entwikkelt, so daß die gewünschte gleichförmige Verteilung der Kraftstoffkonzentration nicht erzielt werden kann.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Vormischeinrichtung der beschriebenen Ausführung eine praktische Grenze bei der Verminderung der Luftzuführrate aufweist. Es ist nämlich schwierig, die Luftzuführrate zu vermindern, wenn die Kraftstoffzuführrate gesenkt wird, um die Anforderung für Niedriglastbetrieb der Gasturbine zu erfüllen. Infolgedessen nimmt das Kraftstoff/Luft-Verhältnis mit dem Nachteil einer Zunahme des Luftüberschuß-Verhältnisses ab. Daraus ergeben sich oft Probleme derart, daß die Flamme in der Vormischeinrichtung instabil und im schlimmsten Fall ausgeblasen wird.
US-A-4 499 735 offenbart eine in Segmente unterteilte Kraftstoff-Einspritzeinrichtung am Einlaß einer ringförmigen Vergaserkammer. Dabei sind radial getrennte Kraftstoffeinlässe vorhanden. Dies ist jedoch keine Vormischeinrichtung. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kraftstoff-Luft-Vormischeinrichtung für eine Gasturbine anzugeben, die es gestattet, das Kraftstoff/Luft-Verhältnis optimal zu steuern, dabei gleichzeitig die radiale Verteilung- der Luftströmungsgeschwindigkeit und damit die Verteilung der Kraftstoffkonzentration am Auslaß der Vormischeinrichtung gleichförmig zu machen, um die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu überwinden.
Die Kraftstoff-Luft-Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung hat mehrere in Radialrichtung der Vormischeinrichtung verteilte Kraftstoffdüsen. Bei geeigneter Steuerung der Kraftstoffzuführraten aus einzelnen Düsen läßt sich eine optimale Steuerung der radialen Verteilung der Kraftstoffkonzentration am Auslaß der Vormischeinrichtung erzielen. Insbesondere wird die Kraftstoffkonzentration am Auslaß der Vormischeinrichtung in Radialrichtung gleichförmiger gemacht, wenn die Gasturbine mit 100% Last arbeitet, während zum Zeitpunkt der Zündung der Vorgemisches durch eine Zündflamme die Kraftstoffkonzentration im Bereich der Zündflamme erhöht wird, um eine sichere Zündung zu garantieren. Im Teillastbetrieb der Gasturbine kann eine gleichförmige radiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration die stabile Verbrennung des Vorgemisches beeinträchtigen, weil eine solche gleichförmige radiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration das Kraftstoff/Luft-Verhältnis unerwünscht vermindert. Daher wird in einem solchen Fall die radiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration so gesteuert, daß ein örtlicher Bereich hoher Kraftstoffkonzentration gebildet und dadurch eine stabile Verbrennung des Vorgemisches gewährleistet wird.
Die Kraftstoff-Luft-Vormischeinrichtung der Erfindung bietet somit eine stabile Verbrennung des Vorgemisches, während gleichzeitig die NOx-Erzeugung im gesamten Lastbereich der Gasturbine unterdrückt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine zum Teil freigeschnittene perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist ein vergrößerter Schnitt durch einen wesentlichen Teil der in Figur 1 gezeigten Vormischeinrichtung;
Figur 3 ist ein vergrößerter Schnitt durch einen in der Vormischeinrichtung nach Figur 1 vorhandenen Düsenring;
Figur 4 ist ein Schnitt durch eine wesentlichen Teil eines anderen Ausführungsbeispiels der Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 ist ein Schnitt durch einen wesentlichen Teil eines weiteren Ausfünrungsbeispiels der Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung; und
Figur 6 ist ein Schnitt durch einen wesentlichen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung, die mit einem Ring zur Steuerung der Luftströmungsrate arbeitet.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Gemäß Figur 1 und 2 weist eine erste Ausführung der Kraftstoff-Luft-Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung eine Doppelzylinderstruktur aus einem Innenzylinder 1 und einem Außenzylinder 2 mit einem radial auseinanderlaufenden Trichterabschnitt 3 und einem Axialabschnitt 4 auf. Zwischen dem Innen- und dem Außenzylinder 1 und 2 sind mehrere leicht verdrehte Leitschaufeln 5 angeordhet, die mehrere leicht verdrehte Strömungswege 6 definieren. Beim Betrieb wird Luft radial nach innen in den Trichterabschnitt 3 eingeleitet, daß sie durch die Strömungswege 6 strömt. Auf diese weise wird die durch den Trichterabschnitt 3 eingeleitete Luft dazu gebracht, daß sie die durch den Innenzylinder 1, den Außenzylinder 2 und die Leitschaufeln 5 definierten Strömungswege 6 durchsetzt.
Zwischen dem Innenzylinder 1 und dem Außenzylinder 2 ist ein Paar von Kraftstoffdüsenringen, nämlich ein radial innerer Kraftstoffdüsenring 7A und ein radial äußerer Kraftstoffring 7B, angeordnet. Wie in Figur 3 gezeigt, weist jeder Kraftstoffdüsenring 7A, 7B Düsenöffnungen 8A, 8B und 8C auf, die so gerichtet sind, daß sie Kraftstoff radial nach außen, axial nach vorne und radial nach innen emittieren.
Die Größe der Düsenöffnungen 8A, 8B und 8C jedes Kraftstoffdüsenrings 7A, 78 kann so bestimmt werden, dar die radiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration am Auslaß der Vormischeinrichtung für einen speziellen Betriebszustand optimiert ist. Wie ersichtlich, können die Düsenöffnungen 8A, 8B und 8C auch so ausgerichtet sein, daß der Kraftstoff anders als in den oben beschriebenen Richtungen emittiert wird. Somit läßt sich in einem speziellen Betriebszustand der Gasturbine am Auslaß der Vormischeinrichtung eine optimale radiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration erreichen.
Wie in Figur 2 gezeigt, weist jeder Kraftstoffdüsenring 7A, 7B Kraftstoffregelventile 9A, 9B auf, die die Kraftstoffzuführraten aus diesen Düsenringen 7A, 7B unabhängig voneinander machen. Daher ist es möglich, die radiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration am Auslaß der Vormischeinrichtung frei zu steuern.
Die Verwendung von ringartigen Kraftstoffdüsen ist nicht wesentlich. Beispielsweise lassen sich die gleichen Wirkungen erreichen, wenn man, wie in Figur 2 gezeigt, mehrere stabförmige Düsen 20A und 20B im wesentlichen längs konzentrischen Kreisen verschiedener Durchmesser anordnet, wobei die Kraftstoffdüsen 20A auf den radial inneren Kreisen und die Kraftstoffdüsen 20B auf den radial äußeren Kreisen jeweils über Kraftstoffregelventile 21A und 21B an Kraftstoff-Versorgungsleitungen angeschlossen sind.
Ob ringförmige Düsen 7A, 7B oder stabförmige Düsen 20A, 20B benutzt werden, kann in Abhängigkeit der Konstruktionsanforderung bestimmt werden. Es ist auch möglich, sowohl die ringförmigen Düsen 7A, 7B als auch die stabförmigen Düsen 20A, 20B gleichzeitig zu benutzen.
Figur 4 zeigt eine andere Ausführung der Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung, bei der anstelle der anhand von Figur 1 bis 3 beschriebenen Kraftstoffdüsenringe 7A, 7B und/oder stabförmigen Düsen 20A, 20B mit Kraftstoffdüsenringen 30A, 30B gearbeitet wird, die von Düsenöffnungen im Innen- und Außenzylinder 1, 2 gebildet werden. In der Ausführung in Figur 4 sind dabei in den Wänden des inneren und des äußeren Zylinders l und 2 in geeigneten Abständen in Umfangsrichtung mehrere Düsenöffnungen 31A, 31B ausgebildet, wobei an den Wänden der jeweiligen Zylinder 1 und 2 ringförmige Elemente 33A und 33B angebracht sind, die mit den jeweiligen Düsenöffnungen 31A und 31B verbundene Kanäle 32A und 32B definieren. Der Kraftstoff wird den Kanälen 32A und 32B über die jeweiligen Kraftstoffregelventile 34A und 34B zugeführt.
Figur 5 zeigt eine wieder andere Ausführung, bei der zwischen dem Innen- und dem Außenzylinder 1, 2 zusätzlich zu den Düsenringen 30A und 30B nach Figur 4 ein Kraftstoffdüsenring 7C des in Figur 2 gezeigten Typs angeordnet ist. Der Kraftstoffdüsenring 7C wird über ein Kraftstoffregelventil 9C mit Kraftstoff versorgt. In der in Figur 5 gezeigten Ausführung ist es deshalb möglich, die radiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration am Auslaß der Vormischeinrichtung spezieller zu steuern, weil die Kraftstoffzuführraten an den radial innen, mittig und außen liegenden Bereichen der Kraft stoffströmungswege 6 durch Vorsehen der Düsenringe 30A, 30B und des dazwischen liegenden Kraftstoffdüsenrings 7C gesteuert werden.
Wie ersichtlich, kann die Kraftstoff-Luft-Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Arten von Düsen, darunter den Kraftstoffdüsenringen 7A, 7B, 7C, den stabförmigen Düsen 20A, 20B und den von Düsenöffnungen in den Wänden der Zylinder 1, 2 gebildeten Kraftstoffdüsenringen 30A, 30B, arbeiten, und zwar einzeln oder in Kombination von zwei oder mehr Arten dieser Düsen.
In der Vormischeinrichtung der Erfindung der beschriebenen Ausführungen wird die Luft durch den Trichterabschnitt radial nach innen in den zylindrischen Abschnitt 4 eingeleitet, der, wie anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben, den Auslaß bildet. Diese Anordnung ist mit dem Problem behaftet, daß die Geschwindigkeit des Gemisches am Auslaß der Vormischeinrichtung in Radialrichtung nicht gleichförmig ist. Insbesondere trifft die radial nach innen geführte Luft auf die Wand des Innenzylinders 1 und wird zum Randbereich hin, d.h. zu dem Bereich nahe dem Außenzylinder 2, abgelenkt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches nahe dem Randbereich anzuwachsen neigt. Nach der Erfindung jedoch kann dieradiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration trotz einer etwaigen ungleichförmigen radialen Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit durch derartige Steuerung der Kraftstoffzuführrate gleichförmig gemacht werden, daß der radial äußere Kraftstoffdüsenring 7B den Kraftstoff mit höherer Rate abgibt als der radial innere Düsenring 7A.
Die in den Strömungswegen 6 angeordneten Kraftstoffdüsenringe 7A, 7B können auch als Strömungselemente dienen, die die Strömung der durch die Vormischeinrichtung strömenden Luft so beruhigen, daß eine Laminarströmung gebildet wird, sofern die axiale Länge dieser Kraftstoffdüsenringe 7A, 7B geeignet gewählt wird. Derartige Strömungselemente vergrößern die effektive Vergleichmäßigung der radialen Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit und damit der radialen Verteilung der Kraftstoffkonzentration am Auslaß der Vormischeinrichtung.
Es können Strömungsplatten 22A und 22B an den gleichen radialen Positionen wie die Kraftstoffdüsenringe 7A und 7B in Figur 1 und 2 angeordnet werden. Die radialen Positionen der Strömungsführungen können jedoch geeignet gewählt werden. Beispielsweise können die Strömungselemente zwischen dem Kraftstoffdüsenring 7A und dem Innenzylinder 1, zwischen dem Kraftstoffdüsenring 7B und dem Außenzylinder 2, oder zwischen beiden Kraftstoffdüsenringen 7A und 7B angeordnet werden.
Im allgemeinen ist die Verbrennung eines von einer Vormischeinrichtung gebildeten Vorgemischs ziemlich instabil, so gewöhnlich eine (nicht gezeigte) Zündflamme an der radial inneren Seite der Vormischeinrichtung, d.h. an der Innenseite des Innenzylinders 1, angeordnet wird. Üblicherweise handelt es sich bei der Zündflamme um eine Diffusionsflamme, die von Natur aus stabil ist. Im Teil- oder Niedriglastbetrieb der Gasturbine dient die Zündflamme zur Verbrennung von Kraftstoff, wobei dann, wenn die Last über einen vorbestimmten Wert ansteigt, die Zündflamme das Vorgemisch am Auslaß der Vormischeinrichtung zündet. Die Vorgemisch-Zuführrate und daher auch die Brennrate des Vorgemisches nimmt mit dem Ansteigen Last der Gasturbine auf den Vollastwert allmählich zu.
Die Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung kann zweckmäßig so gesteuert werden, daß der Zustand des Vorgemisches am Auslaß der Vormischeinrichtung bei Anderung der Betriebsbedingungen, d.h. des Belastungsgrades, der Gasturbine optimiert wird.
Soll beispielsweise das Vorgemisch durch die Zündflamme gezündet werden, so wird die Zündung durch Bildung eines Vorgemisches erleichtert, das im radial inneren Bereich um die Zündflamme herum fetter ist als im radial äußeren Bereich. Dies kann dadurch realisiert werden, daß zum Beispiel in der Ausführung nach Figur 2 der radial innere Düsenring 7A mit höherer Rate zuführt als der radial äußere Düsenring 7B. Andererseits werden bei Vollastbetrieb der Gasturbine die Kraftstoffzuführraten aus beiden Kraftstoffdüsenringen 7A und 7B unabhängig so gesteuert, daß am Auslaß der Vormischeinrichtung eine gleichförmige radiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration erzielt wird.
Die Vormischeinrichtung der vorliegenden Erfindung soll einen weiten Energiebedarfsbereich der Gasturbine abdecken. Ferner soll das Vormischverhältnis zwischen Kraftstoff und Luft in einem vorbestimmten Bereich bleiben, damit die Verbrennung des durch die Vormischeinrichtung gebildeten Vorgemisches stabil bleibt. Um diese Bedingungen zu erfüllen, kann gemäß Figur 6 gezeigt am Lufteinlaß der Vormischeinrichtung ein Ring 23 zur Steuerung der Luftströmungsrate angeordnet werden, wobei dieser Ring axial verschiebbar ist, um den Lufteinlaß-Querschnitt zu ändern und dadurch die Luftzuführrate in die Vormischeinrichtung zu steuern. Wird der Ring 23 zur Steuerung der Luftströmungsrate entsprechend einer Verminderung der Last der Gasturbine gemäß Figur 6 axial verschoben, so nimmt der Lufteinlaß-Querschnitt derart ab, daß sich die Luftströmung auf den Bereich um den Innenzylinder 1 konzentriert. Dadurch entsteht am Auslaß der Vormischeinrichtung eine solche radiale Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit, daß die Geschwindigkeit im radial inneren Bereich der Vormischeinrichtung größer ist als im radial äußeren Bereich. Erfindungsgemäß kann dabei die radiale Verteilung der Kraftstoffkonzentration am Auslaß der Vormischeinrichtung durch derartige Steuerung der Kraftstoffzuführraten aus beiden Kraftstoffdüsenringen 7A, 7B optimiert werden, daß der radial inneren Kraftstoffdüsenring 7A Kraftstoff mit höherer Rate abgibt als der radial äußere Kraftstoffdüsenring 7B. Wird im Niedriglastbetrieb der Gasturbine, in dem Kraftstoffzuführrate gering ist, das Vorgemisch am Auslaß der Vormischeinrichtung durch die Zündflamme gezündet, so kann die Luftzuführrate entsprechend verringert werden, so daß das Kraftstoff/Luft-Verhältnis ohne Fehlzündungen im vorbestimmten Bereich aufrechterhalten wird.
Wie beschrieben, ist es erfindungsgemäß möglich, die radiale Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches und der Kraftstoffkonzentration am Auslaß der Vormischeinrichtung entsprechend den von der Gasturbine geforderten Bedingungen zu optimieren. Beispielsweise wird die radiale Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit und der Kraftstoffkonzentration bei Betrieb der Gasturbine im Hochlastbereich vergleichmäßigt, während dann, wenn das Vorgemisch mit einer Zündflamme gezündet werden soll, das Kraftstoff/Luft-Gemisch im radial inneren Bereich um die Zündflamme zur Erleichterung der Zündung lokal angereichert wird. Bei Betrieb der Gasturbine im Niedriglastbereich wird die radiale Verteilung der kraftstoffkonzentration vergleichmäßigt, so daß die Verbrennung des Vorgemischs über den gesamten Lastbereich der Gasturbine stabilisiert wird.

Claims

1. Gasturbine mit Vormischungs-Verbrennung, umfassend einem Kraftstoff-Luft-Vormischeinrichtung mit einer Doppelzylinderstruktur aus einem Innenzylinder (1), einen Außenzylinder (2) und dazwischen liegenden Strömungswegen (6) derart, daß Kraftstoff in durch die Strömungswege (6) strönende Luft eingeleitet und ein Vorgemisch aus Kraftstoff und Luft gebildet und abgegeben wird,

dadurch -gekennzeichnet,

daß jeder Strömungsweg mehrere in radialem Abstand angeordnete Kraftstoffdüsen (7A, 7B, 7C; 20A, 20B; 30A, 30B) aufweist, die es gestatten, den Kraftstoff an radial versetzten Stellen in die Strömungswege einzuleiten, und

daß Vorrichtungen (9A, 9B, 9C; 21A, 21B; 34A; 34B) zur unabhängigen Steuerung der relativen Kraftstoffzuführraten aus den inneren und den äußeren radial versetzten Düsen vorgesehen sind.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei jede der Düsen einen Düsenring (7A, 7B, 7V) mit mehreren in Umfangsrichtung verteilten Düsenöffnungen (8A, 8B, 8C) aufweist.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei jede der Düsen mehrere längs eines Kreises angeordnete stabförmige Düsen (20A, 20B) aufweist.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, wobei die stabförmigen Düsen (20A, 20B) von dem Innenzylinder (1) gehalten werden.

5. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei die Düsen mehrere in den Wänden des Innen- und des Außenzylinders (1, 2) ausgebildete Düsenöffnungen (31A, 31B) aufweisen.

6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Düsenöffnungen (8A, 8B, 8C) in mehreren verschiedenen Richtungen orientiert sind.

7. Gasturbine nach Anspruch 2, wobei die Düsenringe (7A, 78B, 7C) so geformt und bemessen sind, daß sie als Strömungselemente dienen.

8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die zusätzlich wenigstens eine in den Strömungswegen (6) angeordnete Strömungsplatte (20A, 20B) aufweist.

9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die zusätzlich einen im Lufteinlaß der Strömungswege (6) angeordneten verschiebbaren Ring (23) zur Steuerung der Luftströmungsrate aufweist.

10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit mehreren zwischen dem Innen- und dem Außenzylinder (1, 2) angeordneten leicht verdrehten Leitschaufeln (5), die die Strömungswege (6) als mehrere leicht verdrehte Strömungswege bilden.