CH698634A2

CH698634A2 - Brennkammerauskleidungskappe mit Mischlöchern.

Info

Publication number: CH698634A2
Application number: CH00309/09A
Authority: CH
Inventors: John J Lipinski; Girard A Simons; Jonathan Dwight Berry; Abhijit Som
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2009-09-15
Also published as: CN101526227B; CH698634B1; CN101526227A; JP2009210260A; US20090223227A1; JP5513756B2; DE102009003572A1

Abstract

Brennkammerauskleidungskappe (112), umfassend einen zentralen Kappenabschnitt (120) und einen Brennstoffdüsenabschnitt, der in der Umfangsrichtung eines zentralen Kappenabschnitts definiert ist. Eine Vielzahl von Brennstoffdüsenöffnungen (116) sind durch den Brennstoffdüsenabschnitt hindurch definiert, und eine Vielzahl von Luftdüsenlöchern (114) sind durch den zentralen Kappenabschnitt hindurch definiert, und jedes Luftdüsenloch ist entlang eines Radius der Auskleidungskappe mit einer jeweiligen Brennstoffdüsenöffnung ausgerichtet.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Diese Erfindung betrifft Gas- und Flüssigbrennstoffturbinen und insbesondere Brennkammern in Industriegasturbinen, die in Kraftwerken eingesetzt werden.

[0002] Gasturbinen weisen allgemein einen Verdichter, eine oder mehrere Brennkammern, ein Brennstoffeinspritzsystem und eine Turbine auf. Das heisst, der Verdichter setzt Einlassluft unter Druck, deren Strömungsrichtung dann zu den Brennkammern umgekehrt wird, wo sie genutzt wird, um die Brennkammer zu kühlen und auch, um den Verbrennungsprozess mit Luft zu versorgen. In einer Turbine mit Mehrfachbrennkammern sind die Brennkammern in der Umfangsrichtung der Gasturbine angeordnet und ein Übergangskanal verbindet das Auslassende jeder Brennkammer mit dem Einlassende der Turbine, um der Turbine die heissen Produkte des Verbrennungsprozesses zuzuführen.

[0003] In einem Bestreben, die NOx-Menge im Abgas einer Gasturbine zu reduzieren, haben die Erfinder Wilkes und Hilt die zweistufige Brennkammer mit Zweifachmodus ersonnen, die im US-Patent Nr. 4 292 801 gezeigt wird, das am 6. Oktober 1981 an den Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung erteilt wurde. Im vorgenannten Patent wird offenbart, dass die Abgas-NOx-Menge im Vergleich zu einer konventionellen einstufigen Brennkammer mit Einzelbrennstoffdüse stark verringert werden kann, wenn in der Brennkammer zwei Brennräume auf solche Weise hergestellt werden, dass unter Bedingungen mit normaler Betriebslast der vordere oder Primär-Brennraum als Vormischraum dient, während die eigentliche Verbrennung im hinteren oder Sekundär-Brennraum erfolgt.

Unter diesen normalen Betriebsbedingungen ist im Primär-Brennraum keine Flamme vorhanden (was zu einer Abnahme in der NOx-Formung führt) und die Sekundär- oder zentrale Düse alimentiert die Flammenquelle für die Verbrennung im Sekundär-Brennraum. Die spezifische Konfiguration der patentierten Erfindung weist eine ringförmige Anordnung von Primär-Düsen in jeder Brennkammer auf, wobei jede dieser Düsen in den Primär-Brennraum Brennstoff abgibt, und eine zentrale Sekundär-Düse, die in den Sekundär-Brennraum abgibt. Diese Düsen werden alle als Diffusionsdüsen beschrieben, da jede Düse eine axiale Brennstoffeinspritzleitung aufweist, die an ihrem Auslassende von einem Luftverwirbler umgeben ist, der den Auslassöffnungen der Brennstoffdüsen Luft zuführt.

[0004] Im US-Patent Nr. 4 982 570 wird eine zweistufige Brennkammer mit Zweifachmodus offenbart, die als zentral angeordnete Sekundär-Düse eine kombinierte Diffusions-/ Vormischdüse benutzt. In Betrieb wird eine relativ kleine Brennstoffmenge verwendet, um eine Diffusionspilotflamme aufrecht zu erhalten, während ein Vormischabschnitt der Düse zusätzlichen Brennstoff zur Entzündung der HauptbrennstoffVersorgung aus den vorgeordneten Primär-Düsen bereitstellt, die in den Primär-Brennraum geleitet wird.

[0005] In einer späteren Entwicklung wurde ein Sekundär-Düsen-Luftverwirbler, der vorher im Sekundär-Brennraum hinter den Diffusions-/Vormischdüsenöffnungen lag (an der Grenze zur Sekundär-Flammenzone), an eine Stelle vor den Vormischdüsenöffnungen neu angeordnet, um jeden direkten Kontakt mit der Flamme in der Brennkammer auszuschliessen.

[0006] Das US-Patent Nr. 5 274 991 offenbart eine Brennkammer, die eine einstufige Brennkammer (mit Einzelbrennraum oder einzelner Verbrennungszone) mit Zweifachmodus (Diffusion und Vormischung) ist, der bei niedrigen Turbinenlasten in einem Diffusionsmodus und bei hohen Turbinenlasten in einem Vormischmodus betrieben wird. Allgemein weist jede Brennkammer mehrfache Brennstoffdüsen auf, wovon jede den Sekundär-Diffusions-/Vor-mischdüsen entspricht. Mit anderen Worten, jede Düse weist einen umgebenen dedizierten Vormischabschnitt auf, sodass der Brennstoff im Vormischmodus mit Luft vorgemischt wird, bevor er im Einzelbrennraum verbrannt wird. Auf diese Weise erlauben die mehrfachen dedizierten Vormischabschnitte die gründliche Vormischung des Brennstoffs und der Luft vor der Verbrennung, was schliesslich niedrige NOx-Pegel zur Folge hat.

[0007] Das heisst, im Patent 5 274 991 umfasst jede Brennkammer ein allgemein zylindrisches Gehäuse mit einer Längsachse, wobei das Brennkammergehäuse vordere und hintere Abschnitte aufweist, die aneinander befestigt sind, und das Brennkammergehäuse als Ganzes am Turbinengehäuse befestigt ist. Jede Brennkammer weist auch einen innere Strömungshülse und eine Brennkammerauskleidung auf, die im Wesentlichen konzentrisch in der Strömungshülse angeordnet ist. Sowohl die Strömungshülse als auch die Brennkammerauskleidung verlaufen zwischen einem doppelwandigen Übergangskanal an ihren vorderen und hinteren Enden und einer Hülsenkappe (die im hinteren oder vorderen Teil der Brennkammer angeordnet ist) an ihren hinteren Enden.

Die Strömungshülse ist direkt am Brennkammergehäuse angebracht, während die Auskleidung die Auskleidungskappe aufnimmt, die ihrerseits am Brennkammergehäuse befestigt ist. Die Aussenwand des Übergangskanals und mindestens ein Abschnitt der Strömungshülse sind über einen wesentlichen Teil ihrer jeweiligen Flächen hinweg mit Luftversorgungslöchern versehen, wodurch sie Verdichterluft erlauben, in den radialen Zwischenraum zwischen der Brennkammerauskleidung und der Strömungshülse einzutreten und zum hinteren oder vorderen Abschnitt der Brennkammer zurück zu strömen, wo die Luftstromrichtung wieder umgekehrt wird, um in den hinteren Abschnitt der Brennkammer und zur Verbrennungszone hin zu strömen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0008] Die Erfindung kann in einer Brennkammerauskleidungskappe ausgeführt werden, umfassend einen zentralen Kappenabschnitt und einen Brennstoffdüsenabschnitt, der in der Umfangsrichtung des zentralen Kappenabschnitts definiert ist; wobei eine Vielzahl von Brennstoffdüsenöffnungen durch den Brennstoffdüsenabschnitt hindurch definiert sind; und wobei eine Vielzahl von Luftdüsenlöchern durch den zentralen Kappenabschnitt hindurch definiert sind, wobei jedes Luftdüsenloch entlang eines Radiusses der Auskleidungskappe mit einer jeweiligen Brennstoffdüsenöffnung ausgerichtet ist.

[0009] Die Erfindung kann in einer Brennkammer ausgeführt werden, umfassend: eine Brennkammerauskleidung; und eine Brennkammerauskleidungskappe, die an ein axiales Ende der Brennkammerauskleidung montiert ist, wobei diese Brennkammerauskleidungskappe einen zentralen Kappenabschnitt und einen Brennstoffdüsenabschnitt umfasst, der in der Umfangsrichtung des zentralen Kappenabschnitts definiert ist; wobei eine Vielzahl von beabstandeten Brennstoffdüsenöffnungen durch den Brennstoffdüsenabschnitt hindurch definiert sind; und wobei eine Vielzahl von Luftdüsenlöchern durch den zentralen Kappenabschnitt hindurch definiert sind, wobei jedes Luftdüsenloch entlang eines Radiusses der Auskleidungskappe mit einer jeweiligen Brennstoffdüsenöffnung ausgerichtet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010]
<tb>Fig. 1<sep>veranschaulicht eine konventionelle MNQC (Multi-Nozzle Quiet Combustor)-Kappen und Auskleidungsanordnung;

<tb>Fig. 2<sep>ist eine Hintenansicht der Brennkammerauskleidungskappe von der linken Seite in Fig. 1aus gesehen;

<tb>Fig. 3<sep>ist eine Vorderansicht der Brennkammerauskleidungskappe von Fig. 2;

<tb>Fig. 4<sep>ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 von Fig. 3;

<tb>Fig. 5<sep>veranschaulicht eine MNQC-Kappen und Auskleidungsanordnung nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;

<tb>Fig. 6<sep>ist eine Hintenansicht der Brennkammerauskleidungskappe von der linken Seite in Fig. 5aus gesehen;

<tb>Fig. 7<sep>ist eine Vorderansicht der Brennkammerauskleidungskappe von Fig. 6; und

<tb>Fig. 8<sep>ist eine Ansicht entlang der Linie 8-8 von Fig. 7.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0011] Es hat sich erwiesen, dass die in Fig. 1-3schematisch dargestellte konventionelle MNQC-Kappen- und Auskleidungsanordnung, die zur Syngasverbrennung benutzt wird, erhöhte CO-Emissionen aufwies, weil die Sauerstoffkonzentration in der Kern- oder Zentrumsregion der Brennkammer abnahm. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Sauerstoffpegel in der Kernregion erhöht. Das heisst, der Sauerstoffpegel wird in der Kernregion erhöht, indem die konventionellen kleinen Düsen, die die Brennstoffdüsen überbrückten, durch grosse Luftmischdüsen auf dem zentralen Abschnitt ersetzt werden, die auf jede Brennstoffdüse gerichtet sind oder darauf zielen.

Die resultierende Struktur erlaubt eine bessere Brennstoff-Luft-Mischung im Kern, einen verschobenen Auftrittspunkt für CO-Emissionen, eine vermehrte Verdünnungsmitteleinspritzung, einen grösseren Betriebsbereich und niedrigere NOx-Emissionen.

[0012] Die NOx- und CO-Reduktion wird durch eine ungenügende Sauerstoffkonzentration in der Brennkammer-Kernregion eingeschränkt. Deshalb wurde die Brennkammer konventionell nahe Eins betrieben, um bei den hohen Verdünnungsmitteldurchflussraten, die erforderlich waren, um die obigen Emissionsziele einzuhalten, einen stabilen Betrieb zu erreichen. Dieses Szenario stellte ein signifikantes Hindernis für das Erreichen eines aggressiven Emissionsziels dar. Deshalb wird Luft erfindungsgemäss in einer neuen Struktur des zentralen Abschnitts neu verteilt, um die Emissions- und Betriebseinschränkungen, die vorher auftraten, zu lösen.

Die Erfindung stellt daher eine Brennkammer mit Mehrfachdüsen-Diffusionsflamme bereit, die niedrigere Emissionen und ein grösseres Emissionsbetriebsfenster erreichen kann, indem sie durch den Zusatz von ausgerichteten Mischlöschern im zentralen Abschnitt der Auskleidungskappe die Brennstoff-Luft-Mischung in der Brennkammerauskleidungsregion anregt.

[0013] Das Problem, das durch die Erfindung angesprochen wird, ist eher auf ein Mehrfachdüsen-Verbrennungssystem mit Diffusionsflamme beschränkt, das ein Verdünnungsmittel zur NOx-Regelung verwendet. Mehrere andere Ansätze wie z.B. die Vorgemischverbrennung oder die Verwendung eines Eindüsenbrenners sind bekannt, um den Brennstoff zur Reaktion zu bringen. Ein Vorgemischansatz hat den Vorteil zu bieten, dass Sauerstoff auf geeignete Weise im Brennstoff verteilt wird.

[0014] Eine konventionelle MNQC (Multinozzle Quiet Combustor)-Kappe 12 und Auskleidung 14 werden jeweils in Fig. 2 und 1veranschaulicht. Die konventionelle Struktur, die in Fig. 1-4 gezeigt wird, verwendete kleine Luftlöcher oder -düsen 14 und überbrückt die Brennstoffdüsen 16 und spritzte die Mehrheit der in den zentralen Kappenabschnitt 20 eintretenden Luft daher nach aussen zur Aussenwand 18 und zur bereits mageren Region ein. Dadurch förderte die konventionelle Mischlochstruktur das Vorhandensein des Verdünnungsmittels und der Verbrennungsprodukte in der Auskleidungskernregion und hemmte die CO-Umwandlung durch eine reduzierte Sauerstoffkonzentration in der Kernregion.

[0015] Eine MNQC-Kappe 112 und Auskleidung 114 nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden jeweils in Fig. 6 und 5 gezeigt. Erfindungsgemäss sind statt der zwölf kleinen Mischlöcher oder -düsen 14 mit etwa 0,375 Zoll Durchmesser sechs grössere Mischlöcher oder -düsen 114, alle mit einem Durchmesser von etwa 0,5 bis 1,5 Zoll, bevorzugt von etwa 1,0 Zoll, in der Deckplatte des zentralen Kappenabschnitts 120 angeordnet. Jedes Mischloch 114 ist so ausgerichtet, dass es entlang eines Radiusses der Auskleidungskappe mit einer entsprechenden Brennstoffdüsenöffnung 116 ausgerichtet ist, wogegen, wie oben erwähnt, die Mischlöcher 14 in der Konfiguration des früheren Stands der Technik von Fig. 2-4 ausgerichtet waren, um zwischen benachbarten Brennstoffdüsenöffnungen 16 ausgerichtet zu sein.

Daher sind in diesem Beispiel, wo sechs Brennstoffdüsenöffnungen 116 vorgesehen sind, die Luftdüsenlöcher 114 in 60 Grad-Abständen angeordnet, um mit den Brennstoffdüsenöffnungen 116 ausgerichtet zu sein. Demgegenüber waren die Luftdüsen 14 der Kappe von Fig. 2-4 in 30 Grad-Abständen so angeordnet, dass sie um etwa 15 Grad vom Zentrum der Brennstoffdüsenöffnungen 16 versetzt waren. Der Brennstoffdüsendurchmesser liegt im Bereich von 1 bis 8 Zoll. Bei IGCC-MNQC-Düsen liegt er typischerweise zwischen 2 und 4 Zoll.

In dieser beispielhaften Ausführungsform haben die Brennstoffdüsenöffnungen 116 einen Durchmesser Dl von etwa 2, 550 Zoll und weisen Zentren auf, die in der Umfangsrichtung der Auskleidungskappe auf einem Kreis mit einem Durchmesser D2 von etwa 10,500 Zoll ausgerichtet sind, wie bei der konventionellen Kappe, die in Fig. 2-4 gezeigt wird, was für 16 Zoll-Auskleidungen typisch ist. Bei MNQC IGCC-Anlagen weist die Auskleidung mit einem Durchmesser von 14 Zoll Brennstoffdüsenöffnungen auf, die auf einem Kreis von etwa 9,5 Zoll ausgerichtet sind.

[0016] Erfindungsgemäss regt die Kollision der Brennstoff- und Luftströme die Mischung in der Kernregion der Brennkammerauskleidung an. In der beispielhaften Ausführungsform, die in Fig. 8 gezeigt wird, liegt der Luftstrom durch die Luftdüsenlöcher 114 in einem Winkel zu den Brennstoffdüsen, die in der dargestellten Ausführungsform in einer Axialrichtung der Auskleidung liegen, wie aus der Ausrichtung der Öffnungen 116 in Fig. 8 zu ersehen. Das heisst, in der beispielhaften Ausführungsform, die in Fig. 8gezeigt wird, liegt der Luftstrom durch die Luftdüsenlöcher 114 in einem Winkel von etwa 35 Grad zur Axialrichtung der Brennstoffdüsen. Als Alternative (nicht dargestellt) können die Luftdüsenlöcher sich in einer Richtung rechtwinklig zu den Brennstoffdüsen öffnen.

[0017] Der vermehrte Sauerstoff, der durch die grösseren Öffnungen zugeführt wird, und die verbesserte Mischung ermöglichen dem unverbranntem CO, den O2 in den Verbrennungsprodukten zu finden, und grosse Verdünnungsmittelströme. Die verbesserte CO-Umwandlung ermöglicht eine erhöhte Menge an Verdünnungsmittel zur weiteren NOx-Reduktion.

[0018] Die neuartige Mischlochkonfiguration, die erfindungsgemäss bereitgestellt wird, versorgt die Kernregion mit mehr Luft und gewährleistet eine verbesserte Mischung. In technischer Hinsicht hat die Einspritzung mit einer 16 Durchmesser-MNQC-Auskleidungskonfiguration das Erreichen einer drastischen Verschiebung in der Emissionsleistung ermöglicht. Die Konfiguration hat auch vorherigen Designs gegenüber zu einer signifikanten Verbesserung der Emissionen und der Betriebsfähigkeit geführt.

[0019] Auch wenn die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktischste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, versteht es sich, dass die Erfindung sich nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die im Geiste und Umfang der beiliegenden Ansprüche liegen. Als Alternative zu einem Luftdüsenloch, das entlang eines Radiusses der Auskleidungskappe mit jeder der Brennstoffdüsenöffnungen ausgerichtet ist, können weniger Luftdüsenlöcher als Brennstoffdüsenöffnungen vorhanden sein.

Zum Beispiel können drei Primär-Luftdüsenlöcher und sechs Brennstoffdüsenöffnungen vorhanden sein, wobei jedes Primär-Luftdüsenloch entlang eines Radiusses der Auskleidungskappe mit einer jeweiligen alternierenden Brennstoffdüsenöffnung ausgerichtet ist, wodurch nur drei der Öffnungen mit einem Luftdüsenloch ausgerichtet sind und die Öffnung, die ausgerichtet sind, mit nicht ausgerichteten Öffnungen alternieren. Als anderes Beispiel können vier Primär-Luftdüsenlöcher und sechs Brennstoffdüsenöffnungen vorhanden sein, wobei jedes Primär-Luftdüsenloch entlang eines Radiusses der Auskleidungskappe mit einer jeweiligen Brennstoffdüse ausgerichtet ist, wodurch nur vier der Öffnungen mit einem Luftdüsenloch ausgerichtet sind.

Als eine weitere Alternative zu den oben beschriebenen Ausführungsformen können, wenn dies als erforderlich oder wünschenswert erachtet wird, ein oder mehrere Sekundär-Luftdüsenlöcher z.B. mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der der Primär-Luftdüsenlöcher, zwischen den Primär-Luftdüsenlöchern angeordnet sein, die mit Brennstoffdüsen ausgerichtet sind. Auch wenn eine Auskleidungskappe mit sechs Brennstoffdüsenöffnungen im Einzelnen beschrieben und dargestellt wurde, versteht es sich, dass die Erfindung sich nicht auf eine Auskleidungskappe mit sechs Brennstoffdüsenöffnungen beschränkt.

Claims

1. Brennkammerauskleidungskappe (112), umfassend einen zentralen Kappenabschnitt (120) und einen Brennstoffdüsenabschnitt, der in der Umfangsrichtung des zentralen Kappenabschnitts definiert ist;

wobei eine Vielzahl von Brennstoffdüsenöffnungen (116) durch den Brennstoffdüsenabschnitt hindurch definiert sind; und

wobei eine Vielzahl von Luftdüsenlöchern (114) durch den zentralen Kappenabschnitt (120) hindurch definiert sind, wobei jedes dieser Luftdüsenlöcher entlang eines Radiusses des Auskleidungskappe mit einer jeweiligen Brennstoffdüsenöffnung ausgerichtet ist.

2. Brennkammerauskleidungskappe nach Anspruch 1, wobei sechs Brennstoffdüsenöffnungen (116) vorhanden sind, die in der Umfangsrichtung des zentralen Kappenabschnitts (120) definiert sind, und sechs Luftdüsenlöcher (114), die derart um den zentralen Kappenabschnitt (120) definiert sind, dass die Zentren der Brennstoffdüsenöffnungen und der Luftdüsenlöcher auf einem gemeinsamen Radius der Auskleidungskappe angeordnet sind und die jeweiligen Luftdüsenlöcher auf der Kappe um 60 Grad auseinander liegen.

3. Brennkammerauskleidungskappe nach Anspruch 1, wobei jedes Luftdüsenloch 114 einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 1,5 Zoll aufweist.

4. Brennkammerauskleidungskappe nach Anspruch 1, wobei jedes Luftdüsenloch (114) derart ausgerichtet ist, dass dadurch strömende Luft mit einem Brennstoff aus der jeweiligen Brennstoffdüse (116) kollidiert, wodurch eine Kollision der Brennstoff-und Luftströme die Mischung in der Kernregion einer Brennkammerauskleidung, an der die Kappe montiert ist, anregt.

5. Brennkammerauskleidungskappe nach Anspruch 4, wobei der Luftstrom durch die Luftdüsenlöcher (114) in einem Winkel zu den jeweiligen Brennstoffdüsen (116) steht.

6. Brennkammerauskleidungskappe nach Anspruch 5, wobei der Luftstrom durch die Luftdüsenlöcher (114) in einem Winkel von etwa 35 Grad zu den jeweiligen Brennstoffdüsen (116) steht.

7. Brennkammerauskleidungskappe nach Anspruch 1, wobei die Luftdüsenlöcher (114) in der Umfangsrichtung des zentralen Kappenabschnitts (120) gleichmassig beabstandet sind.

8. Brennkammerauskleidungskappe nach Anspruch 1, wobei jede Brennstoffdüsenöffnung (116) einen Durchmesser von etwa 2-4 Zoll aufweist.

9. Brennkammerauskleidungskappe nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffdüsenöffnungen (116) derart um den Brennstoffdüsenabschnitt angeordnet sind, dass die Zentren der Brennstoffdüsenöffnungen auf einem gedachten Kreis mit einem Durchmesser von etwa 10,50 Zoll liegen.

10. Brennkammer, umfassend:

eine Brennkammerauskleidung (114); und

eine Brennkammerauskleidungskappe (112) wie in Anspruch 1 definiert, die an ein axiales Ende der Brennkammerauskleidung (114) montiert ist.