DE102009026237A1

DE102009026237A1 - Gasturbinenübergangsstück mit Verdünnungslöchern

Info

Publication number: DE102009026237A1
Application number: DE102009026237A
Authority: DE
Inventors: Krishna Kumar Venkataraman; William Kirk Hessler; Predrag Popovic
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2010-01-28
Also published as: CN101644447B; CN101644447A; JP2010025543A; US20100018211A1

Abstract

Ein Gasturbinenübergangsstück (16) enthält einen Durchtrittskörper mit einem vorderen Ende (26) und einem hinteren Ende (28), wobei der Durchtrittskörper ein Gehäuse für die Begrenzung eines Stroms von Verbrennungsprodukten aus einer Brennkammer (10) zu einem Leitapparat (18) einer ersten Turbinenstufe begrenzt. Mehrere Verdünnungslöcher (32) sind in dem Durchtrittskörper ausgebildet, die sich an ausgewählten X, Y, Z Koordinaten befinden, die von einem Nullbezugspunkt an einem Mittelpunkt einer Austrittsebene des Übergangsstückes gemessen werden.

Description

Diese Erfindung betrifft Gasturbinen-Brennkammertechnologie und insbesondere ein Übergangsstück, das dazu genutzt wird, um die heißen Verbrennungsgase zwischen der Turbinenbrennkammer und einem Leitapparat der ersten Turbinenstufe strömen zu lassen.
Hintergrund der Erfindung
Es ist allgemein bekannt, dass typischerweise Luftverschmutzungsemissionen in Gasturbinen erzeugt werden, welche herkömmliche Kohlenwasserstoff-Brennstoffe verbrennen. Diese Emissionen sind üblicherweise Stickstoffoxide, Kohlenstoffmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Es ist auch allgemein bekannt, dass sowohl die Oxidation von molekularem Stickstoff und die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid von der Temperatur des durch die Turbinenbrennkammer erzeugten Heißgasstroms abhängt, welcher durch das Übergangsstück zu dem Leitapparat der ersten Stufe strömt. Um das Verhalten der Brennkammer bezüglich Emissionen zu verbessern, müssen die Gastemperaturen für eine angemessene Zeitdauer hoch genug sein, um Kohlenmonoxid zu oxidieren, ohne gleichzeitig so hoch zu sein, dass zu große Mengen an Stickstoffoxiden erzeugt werden.
Es wurden bereits wurden verschiedene Konzepte vorgeschlagen, um die Reaktionszonentemperatur unter dem Niveau zu halten, bei welchem NO_x erzeugt wird, oder indem die Verweilzeit bei hohen Temperaturen so begrenzt wird, dass nicht genügend Zeit für das Fortschreiten der NO_x-Erzeugungsreaktion vorhanden ist, oder beides. Ein Verfahren zur Verringerung der Tempera tur der Reaktionszone in der Brennkammer besteht in der Erzeugung eines mageren Gemisches aus Brennstoff und Luft vor der Verbrennung. Das magere Gemisch kann wenigstens teilweise erreicht werden, indem Verdünnungsluft dem Brennkammereinsatz zugeführt wird, um Wärme zu absorbieren und den Temperaturanstieg auf ein Niveau zu begrenzen, bei welchem kein thermisches NO_x erzeugt wird. Jedoch sind in vielen Fällen selbst mit mager vorvermischtem Brennstoff und Luft die Temperaturen ausreichend hoch, um unerwünschte Emissionen zu erzeugen.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Verdünnungsluft dem Übergangsstück zwischen der Brennkammer und dem Leitapparat der ersten Stufe zuzuführen. Beispielsweise befinden sich in einem früheren Übergangsstück zwei Verdünnungslöcher angrenzend an den Auslass des Übergangsstückes nahe an den Leitapparat der ersten Stufe.
In der im gemeinsamen Eigentum befindlichen Offenlegung No. US 2005 0204741 A1 wird ein Übergangsstück-Verdünnungsluft-Handhabungssystem vorgeschlagen, welches eine Verdünnungsvermischung und Emissionsreduzierung begünstigt. Insbesondere erzeugt das Verdünnungsluft-Handhabungssystem Verdünnungsluftstrahlen in dem Übergangsstück an vorbestimmten axialen und um den Umfang angeordneten Stellen, um Emissionsreduzierungen im Verbund mit effizienter Nutzung von Verdichterauslassluft zu optimieren. Jedoch bleiben unerwünschte Emissionen unabhängig von den verschiedenen früheren Vorschlägen ein Problem.
Kurzbeschreibung der Erfindung
In einer exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden, Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Gasturbinenübergangsstück, das einen Durchführungskörper mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende aufweist, wobei der Durchführungskörper ein Gehäuse zum Einschließen eines Stroms von Verbrennungsprodukten aus einer Brennkammer zu einem Leitapparat der ersten Turbinenstufe definiert; und mehrere in dem Durchführungskörper ausgebildete Verdünnungslöcher an Stellen, die durch ausgewählte in der Tabelle I aufgelistete X, Y, Z Koordinatensätze definiert sind, wobei die X, Y und Z Koordinaten von einen Nullbezugspunkt an einem Mittelpunkt einer Austrittsebene des Übergangsstückes aus gemessen sind.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Gasturbinenübergangsstück, das einen Durchführungskörper mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende aufweist, wobei der Körper ein Gehäuse zum Einschließen eines Stroms von Verbrennungsprodukten aus einer Brennkammer zu einem Leitapparat der ersten Turbinenstufe definiert; und mehrere in dem Durchführungskörper ausgebildete Verdünnungslöcher an Stellen, die durch ausgewählte in der Tabelle I aufgelistete X, Y, Z Koordinatensätze definiert sind, wobei die X, Y und Z Koordinaten von einen Ursprungspunkt an einem Mittelpunkt einer Austrittsebene des Übergangsstückes aus gemessen sind, wobei der Durchtrittskörper eine Länge von im Wesentlichen 50,8 cm (20 Zoll) hat, und wobei die mehreren Verdünnungslöcher Durchmesser in einem Bereich von 7,62 bis 44,45 mm (0,3 bis 1,75 Zoll) haben.
In noch einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Gasturbinenübergangsstück, das einen Durchführungskörper mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende und einer Länge von im Wesentlichem 50,8 cm (20 Zoll) aufweist, wobei der Körper ein Gehäuse zum Einschließen eines Stroms von Verbrennungsprodukten aus einer Brennkammer zu einem Leitapparat der ersten Turbinenstufe definiert; und zwischen 5 und 17 in dem Durchführungskörper ausgebildete Verdün nungslöcher, wobei die mehreren Durchtrittslöcher Durchmesser in den Bereichen von 7,62 bis 44,45 mm (0,3 bis 1,75 Zoll) haben, und eine kombinierte offene Querschnittsfläche zwischen 12,9 und 48,39 cm² (2 und 7,5 Quadratzoll) haben, und wobei die Verdünnungslöcher Stellen haben, die durch ausgewählte in der Tabelle I aufgelistete X, Y, Z Koordinatensätze definiert sind,
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den nachstehend angegebenen Zeichnungen beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Querschnitt durch eine herkömmliche Gasturbinenbrennkammer und ein Übergangsstück;
2 ist eine Draufsicht auf ein Übergangsstück, das Verdünnungslöcher gemäß einer exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden, Ausführungsform der Erfindung enthält; und
3 ist eine Seitenaufrissansicht des in 2 dargestellten Übergangsstückes; und
4 ist eine Ansicht des hinteren Endes des in den 2 und 3 dargestellten Übergangsstückes, in welcher der Ursprungspunkt in der Bezugsaustrittsebene dargestellt ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In den Zeichnungen und insbesondere in 1 ist eine bekannte Brennkammer 10 für eine Gasturbine dargestellt, welche einen Verbrennungsraum 10 enthält, der zum Teil durch einen Brennkammereinsatz 14 definiert ist, der an seinem hinteren Ende mit dem Übergangsstück oder dem Durchtrittskörper 16 ver bunden ist, welcher den Strom der Verbrennungsprodukte auf einen Strömungspfad begrenzt, welcher die Verbrennungsprodukte (oder Gase) dem Leitapparat der ersten Turbinenstufe, dargestellt durch das Bezugszeichen 18, zuführt. Die Brennkammer 10 kann eine von mehreren in einer ”Rohr/Ring”-Anordnung um den Turbinenrotor angeordnete sein, wobei jede dem Leitapparat der ersten Turbinenstufe Gas zuführt. Luft für den Verbrennungsprozess wird typischerweise durch die Verdichterauslassluft zugeführt, welche man umgekehrt (d. h., in einer Richtung entgegengesetzt zur Strömung der Verbrennungsgase) außerhalb des Übergangsstückes und des Brennkammereinsatzes zu Lufteinlässen an dem vorderen Ende jeder Brennkammer strömen lässt. Eine im Wesentlichen zylindrische Strömungshülse 18 umgibt den Brennkammereinsatz 14 und stellt einen ringförmigen Kanal 20 zwischen dem Brennkammereinsatz und der Strömungshülse zur Zuführung von Luft zu dem vorderen Ende der Brennkammer bereit. Die Strömungshülse 18 kann mit Kühllöchern zur Prallkühlung des Brennkammereinsatzes versehen sein, und eine zweite ähnliche (nicht dargestellte) Strömungshülse, die ebenfalls mit Kühllöchern versehen ist, kann um das Übergangsstück herum angeordnet und Ende-an-Ende mit der Strömungshülse 18 verbunden sein. In jeder Brennkammer führt eine Anordnung von Primärdüsen 21 in Endabdeckungen kombiniert mit einer mittigen Düse 22 Brennstoff der Brennkammer zu, der sich mit der Auslassluft aus dem Verdichter vermischt, um eine Vorgemisch-Verbrennungsflamme zu erzeugen, die sich in den Teilen 12 und 18 befindet.
In einer typischen Anordnung kann der Brennkammereinsatz ein oder mehrere Verdünnungslöcher 24 haben, die von dem Einsatz 12 zu dem Übergangsstück 16 hin verschoben wurden, um eine signifikante Reduzierung in den Emissionen und eine verbesserte Vorgemisch-Flammenstabilität zu erzeugen.
Gemäß weitere Bezugnahme auf die 2–4 betrifft die vorliegende Erfindung eine einzigartige Anordnung von Verdünnungslöchern in dem Übergangsstück 16, deren Anzahl, Abmessung und Position die Verdünnungsluftvermischung begünstigen, eine längere Verbrennungsverweilzeit (und somit eine stabilere Ausbildung von Verbrennungsflammenzonen) ermöglichen, die Flammenstabilität verbessern und eine vollständige Ausbrennung von Kohlenwasserstoffen ermöglichen. Das Übergangsstück 16 ist im Wesentlichen ein Durchtrittskörper oder ein Gehäuse mit einem vorderen Ende 26 und einem hinteren Ende 28, wobei sich die Querschnittsform des Durchtrittskörpers von einer im Wesentlichen zylindrischen Form an dem vorderen Ende zu einer gekrümmt rechteckigen Form an dem hinteren Ende verändert.

In einer exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden, Ausführungsform sind mehrere Verdünnungslöcher 32 (drei sind in 3 nur beispielsweise dargestellt) in dem Übergangsstück 16 genau entlang dem und um den Durchtrittskörper herum angeordnet, wie es in Zoll entlang den X, Y und Z Koordinaten von einem Ursprung oder Nullbezugspunkt 30 an dem Mittelpunkt der Übergangsstück(oder Durchtrittskörper)-Austrittsebene gemessen wird. Der X Koordinate erstreckt sich von dem Ursprung 30 in einer Stromaufwärtsrichtung, d. h., in eine Richtung entgegengesetzt zur Strömung durch das Übergangsstück. In dieser exemplarischen Ausführungsform ist das Übergangsstück etwa 50,8 cm (20 Zoll) lang. Achtundzwanzig Verdünnungslochpositionen sind als mögliche Positionen zur Realisierung von Emissionsreduzierungen identifiziert worden. Die X, Y, Z Koordinaten der 28 Verdünnungslochpositionen sind in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt. Tabelle I

LOCH #	X	Y	Z
1	14,59	10,26	4,78
2	16,45	2,21	0
3	14,59	10,26	–4,78
4	13,97	12,96	0
5	15,82	4,91	4,78
6	15,82	4,91	–4,78
7	10,63	1,25	–5,6
8	10,91	1	5,05
9	8,84	–0,97	2,9
10	8,84	–0,9	–2,27
11	6,9	7,44	2
12	4,59	4,485	–5,23
13	4,59	3,56	0
14	4,59	–2,11	0
15	2,59	0,06	7,647
16	2,59	–2,21	6,92
17	2,59	–2,98	4,33
18	2,59	–2,56	0
19	2,59	–2,98	4,33
20	2,59	–1,07	–7,29
21	4,09	3,7	1,82
22	4,09	3,12	5,42
23	4,09	–2,9	4,76
24	4,09	–2,9	–4,76
25	4,09	–2,21	–6,92
26	4,09	3,197	5
27	4,09	–3,7	1,82
28	4,09	–3,7	–1,82

Die Anzahl der in dem Übergangsstück oder Durchtrittskörper 16 vorgesehenen Verdünnungslöcher kann zwischen fünf und siebzehn variieren, wobei elf die optimale Anzahl in der exemplarischen Ausführungsform ist. Die Löcher 32 liegen entlang dem Übergangsstück oder Durchtrittskörper in einer Hüllkurve innerhalb von 2,54 cm (1 Zoll) in jeder Richtung entlang der Oberfläche des Übergangsstückes ausgehend von den durch die X, Y und Z Koordinaten bestimmten Stellen der Löcher. Diesbezüglich kann jede Kombination von den achtundzwanzig in der Tabelle I aufgelisteten Lochpositionsstellen für die fünf bis siebzehn Verdünnungslöcher ausgewählt werden. Der Verdünnungslochdurchmesser kann in dem Bereich zwischen 7,62 bis 44,45 mm (0,3 bis 1,75 Zoll liegen, und die kombinierte offene Querschnittsfläche der Verdünnungslöcher sollte in dem Bereich von 12,9 und 48,39 cm² (2 und 7,5 Quadratzoll) liegen. Die Verdünnungslöcher 32 können gleiche oder unterschiedliche Durchmesser innerhalb des spezifizierten Bereiches haben.
Die Verdünnungslochanordnung gemäß Beschreibung ermöglicht längere Verbrennungsverweilzeit (aufgrund erhöhter Temperatur von Verbrennungsgase) und somit einen zusätzlichen CO-Ausbrand. Dieses ermöglicht auch eine stabile Ausbildung der Verbrennungsflammenzone und verbessert die Flammenstabilität anstelle der Abkühlung des Verbrennungsprozesses vor dem vollständigen Ausbrand von Kohlenwasserstoffen. Das Endergebnis ist eine signifikante Reduzierung von schädlichen Emissionen und eine verbesserte Haltbarkeit des Einsatzes.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offengelegte Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in dem Erfindungs gedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, mit abdecken sollen.
Ein Gasturbinenübergangsstück 16 enthält einen Durchtrittskörper mit einem vorderen Ende 26 und einem hinteren Ende 28, wobei der Durchtrittskörper ein Gehäuse für die Begrenzung eines Stroms von Verbrennungsprodukten aus einer Brennkammer 10 zu einem Leitapparat 18 einer ersten Turbinenstufe begrenzt. Mehrere Verdünnungslöcher 32 sind in dem Durchtrittskörper ausgebildet, die sich an ausgewählten X, Y, Z Koordinaten befinden, die von einem Nullbezugspunkt an einem Mittelpunkt einer Austrittsebene des Übergangsstückes gemessen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 20050204741 A1 [0005]

Claims

Gasturbinenübergangsstück (16), das einen Durchtrittskörper mit einem vorderen Ende (26) und einem hinteren Ende (28) aufweist, wobei der Körper ein Gehäuse zum Einschließen eines Stroms von Verbrennungsprodukten aus einer Brennkammer (10) zu einem Turbinenleitapparat (18) einer ersten Stufe definiert; und mehrere in dem Durchführungskörper ausgebildete Verdünnungslöcher (32) an Stellen, die durch ausgewählte in der Tabelle I aufgelistete X, Y, Z Koordinatensätze, definiert sind, wobei die Koordinaten von einem Nullbezugspunkt (30) an einem Mittelpunkt einer Austrittsebene des Übergangsstückes gemessen sind, um dadurch die Verbrennungsverweilzeit zu verlängern, die Vorgemischflammenstabilität zu verbessern und Emissionen zu reduzieren.
Übergangsstück nach Anspruch 1, wobei die mehreren Verdünnungslöcher (32) gleiche Durchmesser in einem Bereich von 7,62 bis 44,45 mm (0,3 bis 1,75 Zoll) haben.
Übergangsstück nach Anspruch 1, wobei einige oder alle von den mehreren Verdünnungslöchern (32) verschiedene Durchmesser in den Bereichen von 7,62 bis 44,45 mm (0,3 bis 1,75 Zoll) haben.
Übergangsstück nach Anspruch 1, wobei die mehreren Verdünnungslöcher (32) eine kombinierte offene Querschnittsfläche zwischen 12,9 und 48,39 cm² (2 und 7,5 Quadratzoll) haben.
Übergangsstück nach Anspruch 1, wobei der Durchtrittskörper einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt an seinem vorderen Ende (26) und eine gekrümmt geradlinige Form an seinem hinteren Ende (28) hat.
Übergangsstück nach Anspruch 1, wobei die mehreren Verdünnungslöcher (32) aus 5 bis 17 Löchern mit Stellen bestehen, die aus einer beliebigen Kombination von in der Tabelle I aufgelisteten X, Y und Z Koordinatensätzen ausgewählt sind.
Übergangsstück nach Anspruch 6, wobei die mehreren Verdünnungslöcher (32) aus 11 Löchern mit Stellen bestehen, die aus einer beliebigen Kombination von in der Tabelle I aufgelisteten X, Y und Z Koordinatensätzen ausgewählt sind.
Übergangsstück nach Anspruch 4, wobei einige oder alle von den mehreren Verdünnungslöchern (32) unterschiedliche Durchmesser in einem Bereich von 7,62 bis 44,45 mm (0,3 bis 1,75 Zoll) haben.
Gasturbinenübergangsstück (16), das einen Durchtrittskörper mit einem vorderen Ende (26) und einem hinteren Ende (28) und einer Länge von im Wesentlichen 50,8 cm (20 Zoll) aufweist, wobei der Körper ein Gehäuse zum Einschließen eines Stroms von Verbrennungsprodukten aus einer Brennkammer (10) zu einem Turbinenleitapparat (18) einer ersten Stufe definiert; und zwischen 5 und 17 in dem Durchführungskörper ausgebildete Verdünnungslöcher (32), wobei die mehreren Durchtrittslöcher Durchmesser in einem Bereich von 7,62 bis 44,45 mm (0,3 bis 1,75 Zoll) haben, und eine kombinierte offene Querschnittsfläche zwischen 12,9 und 48,39 cm² (2 und 7,5 Quadratsoll) haben, und wobei die Verdünnungslöcher Stellen haben, die durch ausgewählte in der Tabelle I aufgelistete X, Y, Z Koordinatensätze ausgewählt sind,
Übergangsstück nach Anspruch 9, wobei die mehreren Verdünnungslöcher (32) aus 11 Löchern bestehen.