DE112015004643T5 - Brenner und Gasturbinenmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Brenner mit einer effizienten Kühlstruktur wird geschaffen. Auch wird eine Gasturbinenmaschine geschaffen, die mit dem Brenner versehen ist. Ein Brenner, der für eine Gasturbine ist und der mit einem Flammrohr und mit einer Brennstoff-Einspritzdüse versehen ist, der an einem Ende des Flammrohres vorgesehen ist, um sich durch das Flammrohr zu erstrecken. Das Flammrohr ist mit einem inneren Rohr versehen, das eine Brennkammer innerhalb des Flammrohres bildet, mit einem Kühlmittel-Strömungsweg, der ein ringförmiger Raum ist, der außerhalb des inneren Rohrs ausgebildet ist, und mit einer Kühlmittel-Zufuhreinrichtung, die Wasserstoffgas an den Kühlmittel-Strömungsweg liefert. Bei diesem Brenner wird das innere Rohr, das die Brennkammer ist, durch das Wasserstoffgas gekühlt, das in den Kühlmittel-Strömungsweg strömt.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur Verbrennung eines Brennstoffs und eine Gasturbinenmaschine mit dem Brenner.
• Hintergrund
• Das Patentdokument 1 offenbart einen Brenner zur Verwendung mit einer Gasturbinenmaschine zur Verbrennung eines Brennstoffs wie Erdgas, das hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen zusammengesetzt ist. Um einen Anteil der Erzeugung von Stickoxiden (NOx) zu reduzieren, ist ein Brennstoffzylinder, der eine Verbrennungskammer dieses Brenners umgibt, in einer doppelten Struktur aus einem inneren Rohr und einem äußeren Rohr ausgebildet, und Kühlluft wird in einen zylindrischen Raum, der zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr ausgebildet ist, eingebracht, um so die Temperatur der Flamme zu verringern.
• Dokument zum Stand der Technik
• Patent Dokument
• Patentdokument 1: JP 2011-220 250 A
• Zusammenfassung der Erfindung
• Technisches Problem
• Der Brenner für die Gasturbinenmaschine, die in Patentdokument 1 offenbart ist, verwendet als Kühlluft einen Teil komprimierter Luft, die durch einen Kompressor der Gasturbinenmaschine erzeugt wird. Obwohl sie als Kühlluft bezeichnet wird, hat die komprimierte Luft eine Temperatur von etwa 400°C bis etwa 500°C. Trotz der Tatsache, dass ihre Temperatur relativ geringer ist als die des Brenners (etwa 1500°C bis etwa 2000°C), kann sie somit nicht in der Lage sein, den Brenner, der hohen Temperaturen ausgesetzt ist, effektiv zu kühlen.
• Somit ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Brenners mit einer effizienten Kühlstruktur und einer Gasturbinenmaschine mit dem Brenner.
• zur Lösung dieser Aufgabe schafft ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Brenner für eine Gasturbine mit einem Flammrohr und einer Einspritzer, der an einem Ende des Flammrohres vorgesehen ist, um sich durch das Flammrohr zu erstrecken, und wobei das Flammrohr ein inneres Rohr aufweist, das darin eine Brennkammer bildet, einen Kühlmittel-Strömungsweg in einem zylindrischen Raum, der außerhalb des inneren Rohres ausgebildet ist, und eine Kühlmittel-Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines Wasserstoffgases an den Kühlmittel-Strömungsweg.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Kühlmittel-Strömungsweg mit dem Einspritzer verbunden, und ein Wasserstoffgas, das von der Kühlmittel-Zufuhreinrichtung durch den Kühlmittel-Strömungsweg an den Einspritzer geliefert wird, wird von dem Einspritzer in die Brennkammer eingespritzt.
• Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Einspritzer mit einer Wasserdampf-Zufuhrquelle verbunden, und Wasserdampf, der von der Wasserdampf-Zufuhrquelle zugeführt wird, und der Wasserstoff, der von der Wasserstoff-Zufuhrquelle geliefert wird, werden in dem Einspritzer vermischt und dann in die Brennkammer eingespritzt.
• Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Einspritzer mit einer Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Zufuhrquelle verbunden, und der Kohlenwasserstoff-Brennstoff, der von dem Einspritzer in die Brennkammer eingespritzt wird, wird zusammen mit dem Wasserstoff und dem Wasserdampf in der Brennkammer verbrannt.
• Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Flammrohr mindestens einen Zusatzbrenner, und der Zusatzbrenner hat eine Zusatzbrennstoff-Zufuhrquelle. In diesem Fall kann die Zusatzbrennstoff-Zufuhrquelle eine Wasserstoff-Zufuhrquelle sein. Dieser fünfte Aspekt kann mit jedem der ersten bis vierten Aspekte kombiniert werden.
• Jeder der Brenner der ersten bis fünften Aspekte, die oben beschrieben wurden, kann individuell in einer Gasturbinenmaschine verwendet werden.
• Vorteilhafte Effekte der Erfindung
• Bei dem Brenner und der Gasturbinenmaschine gemäß der Erfindung kann die Brennkammer durch das Wasserstoffgas effektiv gekühlt werden. Da desweiteren der Wasserstoff nach der Absorption von Wärme mit dem Wasserdampf vermischt wird, gelangt dieser Wasserdampf nicht in einen Ablauf. Dies eliminiert das Problem von Korrosion aufgrund von Ablauf, der an dem Flammrohr anhaftet etc.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• 1 ist ein Diagramm, das einen allgemeinen Aufbau einer Gasturbinenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• 2 ist eine Längsschnittdarstellung eines Brenners, der in der Gasturbinenmaschine der 1 montiert ist.
• 3 ist eine Längsschnittdarstellung des Brenners gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
• 4 ist eine teilweise vergrößerte Darstellung eines hinteren Rohres des in 3 dargestellten Brenners.
• 5 ist eine Längsschnittdarstellung eines Brenners gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
• 6 ist eine Längsschnittdarstellung eines Brenners gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
• 7 ist eine Längsschnittdarstellung eines Brenners gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
• 8 ist eine teilweise vergrößerte Darstellung eines Zusatzbrenners des Brenners, der in 7 dargestellt ist.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• Mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen werden mehrere Ausführungsbeispiele eines Brenners und einer Gasturbinenmaschine mit dem Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung nunmehr beschrieben.
• 1 ist eine schematische Darstellung eines generellen Aufbaus und von Funktionen der Gasturbinenmaschine (im Folgenden einfach als „Maschine” bezeichnet). In einer kurzen Beschreibung des Aufbaus der Maschine, die allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet wird, zusammen mit ihren Betrieb, hat die Maschine 10 einen Kompressor 11, der Atmosphärenluft 12 aufnimmt, um Druckluft 13 zu erzeugen. Die Druckluft 13 wird zusammen mit Brennstoff 15 in einem Brenner 14 verbrannt, um Verbrennungsgas 16 mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen. Das Verbrennungsgas 16 wird an eine Turbine 17 geliefert, die zur Drehung eines Rotors 18 verwendet wird. Die Drehung des Rotors 18 wird an den Kompressor 11 übertragen, wo sie zur Erzeugung der Druckluft 13 verwendet wird. Die Drehung des Rotors 18 wird auch beispielsweise an einen Generator 19 übertragen, wo sie zur Elektrizitätserzeugung verwendet wird.
• Erstes Ausführungsbeispiel
• 2 zeigt einen Teil der Maschine 10 mit dem Brenner 14.
• Eine Anzahl von Brennern 14 sind in regulären Intervallen um eine Mittelachse angeordnet, die nicht dargestellt ist, aber mit einer Drehmittelachse des Rotors 18 der Maschine 10 (in 1 dargestellt) zusammenfällt. Jeder der Brenner 14 hat ein zylindrisches Brenner-Druckgehäuse 22, das an einem äußeren Gehäuse 21 der Maschine befestigt ist. Das Brenner-Druckgehäuse 22 hat ein zylindrisches Flammrohr 23, das konzentrisch innerhalb des Brenner-Druckgehäuses 22 angeordnet ist. Wie in 2 dargestellt ist, sind das Brenner-Druckgehäuse 22 und das Flammrohr 23 an dem äußeren Gehäuse 21 befestigt, um sich schräg in einer Richtung von dem Kompressor zu der Turbine zu erstrecken, sodass ihre Mittelachse 24 die Maschinen-Mittelachse (nicht dargestellt) in einem vorgegebenen Winkel schneidet.
• In dem Ausführungsbeispiel hat das Brenner-Druckgehäuse 22 einen zylindrischen Teil 25, wobei ein rechtsseitiges Ende des zylindrischen Teils 25 in 2 mit dem äußeren Gehäuse 21 verbunden ist und das linksseitige Ende des zylindrischen Teils 25 der 2 durch eine Endplatte 26 verschlossen ist.
• Das Flammrohr 23 ist mit dem Brenner-Druckgehäuse 22 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel ist ein proxymaler Endteil des Flammrohres 23, der auf der linken Seite der 2 angegeben ist, über ein Trägerrohr 27 mit dem zylindrischen Teil 25 des Brenner-Druckgehäuses 22 verbunden, sodass ein zylindrischer Raum 28, der einen Teil eines Verbrennungsluft-Zufuhrwegs 45 bildet, zwischen dem zylindrischen Teil 25 des Brenner-Druckgehäuses 22 und dem Flammrohr 23 definiert ist. Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, ist eine Anzahl von Öffnungen 29, die einen Teil des Verbrennungsluft-Zufuhrwegs 45 bilden, in dem Trägerrohr 27 definiert.
• Zusätzlich oder anstatt des Trägerrohrs 27 kann eine Anzahl von Verbindungselementen (nicht dargestellt) zwischen dem Brenner-Druckgehäuse 22 und dem Flammrohr 23 angeordnet sein, um das Brenner-Druckgehäuse 22 und das Flammrohr 23 über die Kupplungselemente zu verbinden.
• Das Flammrohr 23 hat eine Brennkammer 32, die darin ausgebildet ist. Ein distales Endteil des Flammrohres 23 ist konzentrisch mit einem zylindrischen hinteren Flammrohr 33 verbunden. Ein distales Endteil des hinteren Flammrohres 33 ist mit einem zylindrischen Übergangsstück 34 verbunden, wobei das distale Ende des Übergangsstücks 34 mit einem Turbinendurchlass 35 der Turbine 17 verbunden ist. Dies ermöglicht es, dass das Verbrennungsgas, das in der Brennkammer 32 erzeugt wird, durch die internen Räume des hinteren Flammrohres 33 und das Übergangsstück 34 in den Turbinendurchlass 35 der Turbine 17 gelangt.
• Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, sind das hintere Flammrohr 33 und das Übergangsstück 34 durch eine zylindrische Abdeckung 36 umgeben, um einen zylindrischen Raum 37, der einen Teil des Verbrennungsluft-Zufuhrwegs 45 zwischen dem hinteren Flammrohr 33 und dem Übergangsstück 34 und der Abdeckung 36 bildet, zu definieren. Der zylindrische Raum 37 kommuniziert mit dem zylindrischen Raum 28 zwischen dem zylindrischen Teil 25 des Brenner-Druckgehäuses und dem Flammrohr 23. Eine distale Endöffnung 38 der Abdeckung 36 ist zu einer Druckluft-Speicherkammer 39 geöffnet, die innerhalb des äußeren Gehäuses 21 gebildet ist. Dies ermöglicht, dass die Druckluft 13, die von dem Kompressor 11 abgegeben wird, sich von der Druckluft-Speicherkammer 39 in die zylindrischen Räume 37 und dann 28 bewegt.
• Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, ist ein proximales Ende des Flammrohres 23 mit einem Brennstoff-Einspritzer 40 verbunden. Der Brennstoff-Einspritzer 40 hat eine Brennstoff-Einspritzdüse 41 zur Einspritzung von Brennstoff und eine Verbrennungsluft-Einspritzdüse 42 zur Einspritzung von Verbrennungsluft. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Brennstoff-Einspritzdüse 41 entlang der Mittelachse 24 angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel hat die Brennstoff-Einspritzdüse 41 eine Anzahl von Brennstoff-Einspritzdüsen 43, die darin in regulären Intervallen um die Mittelachse 24 gebildet sind. In dem Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungsluft-Einspritzdüse 42 aus Öffnungen gebildet, die um die Brennstoff-Einspritzdüse 41 gebildet sind. Ein Raum 44, der einen Teil des Verbrennungsluft-Zufuhrwegs 45 bildet und hinter der Verbrennungsluft-Einspritzdüse 42 definiert ist, ist durch die Öffnungen 29 des Trägerrohrs 27 mit den zylindrischen Räumen 28 und 37 um das Flammrohr 23, das hintere Flammrohr 33 und das Übergangsstück 34 verbunden. Dies führt dazu, dass die zylindrischen Räume 28 und 37, die Trägerzylinder-Öffnungen 29 und der Raum 44 den Verbrennungsluft-Zufuhrweg 45 bilden, was es ermöglicht, dass die Druckluft 13, die von der Druckluft-Speicherkammer 39 geliefert wird, von der Verbrennungsluft-Einspritzdüse 42 in die Brennkammer 32 eingespritzt wird. Im Folgenden wird die Druckluft 13, die in die Brennkammer 32 eingespritzt wird, als „Druckluft 13'” bezeichnet.
• In diesem Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungsluft-Einspritzdüse 42 aus einem Verwirbelungsdüsen-Schaufelelement oder Verwirbeler gebildet. Der Verwirbeler umfasst eine Anzahl von Schaufeln und wendet, basierend auf einer Druckdifferenz zwischen dem Verbrennungsluft-Zufuhrweg 45 einschließlich des Raums 44 dahinter und der Brennkammer 32, eine Verwirbelungskraft an die Verbrennungsluft, die von dem Verbrennungsluft-Zufuhrweg 45 in die Brennkammer 32 eingespritzt wird, an und bildet dabei einen Wirbelstrom in der Verbrennungskammer 32.
• Wie im Detail in der 3 dargestellt ist, ist das Flammrohr 23 aus einem zylindrischen Innenrohr 36 und einem zylindrischen Außenrohr 47 ausgebildet, das das Innenrohr 46 umgibt, wobei ein zylindrisches Raum 48 oder Kühlmittel-Strömungsweg zwischen dem Innenrohr 46 und dem Außenrohr 47 gebildet ist. Der zylindrische Raum 48 ist an seinem einen Ende, das an der linken Seite der 3 angegeben ist, durch Verbindungsrohre 49 mit einer Anzahl von Brennstoff-Einspritzdurchlässen 43 verbunden, die innerhalb der Brennstoff-Einspritzdüse 41 ausgebildet sind. In dem Ausführungsbeispiel sind die Brennstoff-Einspritzdurchlässe 43 um die Mittelachse 24 herum ausgebildet. Der zylindrische Raum 48 ist an seinem anderen Ende, das an der rechten Seite der 3 angezeigt ist, durch ein Verbindungsrohr 51 mit einer Wasserstoff-Zufuhrquelle 52 verbunden. Wie in der 3 dargestellt ist, sind das proximale Ende und das distale Ende des zylindrischen Raums 48 geschlossen, sodass ein Wasserstoffgas 65 von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 52 durch den zylindrischen Raum 48 und die Verbindungsrohre 49 den Brennstoff-Einspritzdurchlässen 43 zugeführt wird, von denen Wasserstoffgas in die Brennkammer 32 eingespritzt wird.
• In dem Ausführungsbeispiel ist das hintere Flammrohr 33 aus einem proximal endseitigen hinteren Rohrteil 43 und einem distal endseitigen hinteren Rohrteil 54 aufgebaut. Jedes der hinteren Rohrteile 53 und 54 ist aus einer zylindrischen Innenwand 55 und einer zylindrischen Außenwand 56 aufgebaut, und ein ringförmiger Kühlraum 57 ist zwischen der Innenwand 55 und der Außenwand 56 gebildet. Wie im Detail 4 dargestellt ist, ist das proximale Ende des ringförmigen Kühlraums 57 geschlossen, und das distale Ende des ringförmigen Kühlraums 57 ist an einem ringförmigen Auslass 58 geöffnet, der mit dem inneren Raum des hinteren Flammrohres 33 kommuniziert. Eine Anzahl von Öffnungen 59 sind in der Außenwand 56 ausgebildet, was es erlaubt, dass der ringförmige Kühlraum 57 durch die Öffnungen 59 mit dem Verbrennungsluft-Zufuhrweg 45 kommuniziert.
• In dem Ausführungsbeispiel sind die hinteren Rohrteile 53 und 54 abgeschrägt, sodass der Innendurchmesser von dem proximalen Ende zu dem distalen Ende graduell abnimmt, und das distale Ende des proximal endseitigen hinteren Rohrteils 53 ist in das proximale Ende des distal endseitigen hinteren Rohrteils 54 eingepasst. Aufgrund dessen gelangt ein Teil der Druckluft 13, die durch den Verbrennungsluft-Zufuhrweg 45 strömt, in den ringförmigen Kühlraum 57 durch die Öffnungen 59 der Außenwand 56 und trifft dann auf die Innenwand 55, um die Innenwand 55 zu kühlen. Dieser Kühlmechanismus wird als „Aufprallkühlung” bezeichnet. Die in den ringförmigen Kühlraum 57 gelangte Luft bewegt sich dann zu dem ringförmigen Auslass 58 am distalen Ende, um die Innenwand 55 zu kühlen. Dieser Kühlmechanismus wird als „Konvektionskühlung” bezeichnet. Desweiteren strömt die Druckluft 13, die von dem ringförmigen Auslass 58 an distalen Ende des proximal endseitigen hinteren Rohrteil 53 eingespritzt wurde, entlang einer Innenfläche der Innenwand 55 des distal endseitigen hinteren Rohrteil 54, um einen kühlenden Luftfilm 62 innerhalb der Innenwand 55 zu bilden. In ähnlicher Weise strömt die Druckluft 13, die von dem ringförmigen Auslass 58 am distalen Ende des distal endseitigen hinteren Rohrteils 54 eingespritzt wurde, entlang einer Innenfläche des Übergangsstücks 34, um einen kühlenden Luftfilm 63 an der Innenfläche des Übergangsstücks 34 zu bilden.
• Ein Betrieb des so aufgebauten Brenners 14 wird beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird Brennstoff einschließlich Wasserstoffgas 65 und Verbrennungsluft 13' zugeführt. Das Wasserstoffgas 65 wird von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 52 zugeführt. Das Wasserstoffgas ist ein Gas, das vorzugsweise zu 90% oder mehr, mehr vorzuziehen 95% oder mehr und am meisten vorzuziehen 99% oder mehr aus Wasserstoff (H₂) besteht. Im Folgenden wird jedes dieser Gase als „pures Wasserstoffgas” bezeichnet, obwohl es unweigerlich Verunreinigungen enthalten kann. Auch kann das Wasserstoffgas eines sein, das Wasserstoff enthält, der sekundär in einem Herstellungsprozess, beispielsweise in einer Chemiefabrik, erzeugt wird. Im Folgenden wird dieses Wasserstoffgas als „Beiprodukt-Wasserstoffgas” bezeichnet. Dasselbe gilt für die anderen Ausführungsbeispiele. Die Verbrennungsluft 13' ist eine Hochdruck-Druckluft, die durch den Kompressor 11 erzeugt wird, wie oben beschrieben wurde, und hat eine Temperatur von etwa 400°C bis etwa 500°C. Das zugeführt Wasserstoffgas 65 hat eine Temperatur, die um 100° oder mehr geringer ist als die der Hochdruck-Druckluft, vorzugsweise eine Temperatur von etwa 15 bis 30°C.
• Bezugnehmend auf die 2 und 3 gelangt das Wasserstoffgas 65, das von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 52 geliefert wurde, zur distalen Endseite des zylindrischen Raums 48, der in dem Flammrohr 23 ausgebildet ist. Das Wasserstoffgas in dem zylindrischen Raum 48 kühlt das Innenrohr 46, das durch eine Flamme 66, die in der Brennkammer 32 erzeugt würde, aufgeheizt wurde, wie später beschrieben wird. Anschließend bewegt sich das Wasserstoffgas 65 zu der proximalen Endseite des zylindrischen Raums 48 und gelangt dann in die Brennstoff-Einspritzdurchlässe 43 der Brennstoff-Einspritzdüse 41 durch die Verbindungsrohre 49, von denen Wasserstoffgas in die Brennkammer 32 eingespritzt wird. Die Verbrennungsluft 13', d. h. die Druckluft 13, gelangt dann in den Verbrennungsluft-Zufuhrweg 45 von der Druckluft-Speicherkammer 39 durch die Öffnung 38 am distalen Ende des Übergangsstücks 34 und passiert dann außerhalb des Übergangsstücks 34 das hintere Flammrohr 33 und das Flammrohr 23, von denen Druckluft durch die Verwirbelerschaufeln, die als Verbrennungsluft-Einspritzdüse 42 funktionieren, in die Brennkammer 32 von um die Brennstoff-Einspritzdüse 41 herum eingespritzt wird.
• Das Wasserstoffgas 65, das in die Brennkammer 32 eingespritzt wurde, wird in Anwesenheit der Verbrennungsluft 13' verbrannt, um die Flamme 66 zu bilden. Da in diesem Ausführungsbeispiel wie oben beschrieben wurde das Innenrohr 46 durch das Wasserstoffgas 65 gekühlt wird, dessen Temperatur geringer ist als die der Druckluft, die in dem Kompressor erzeugt wird, wird das Innenrohr 46 effektiv als mit Druckluft gekühlt.
• Der reine Wasserstoff, der als Brennstoff verwendet wird, enthält keinen oder nur wenig Kohlenstoff, anders als ein kohlenwasserstoff-basierter Brennstoff (zum Beispiel Erdgas). Auch ist ein Kohlenstoffgehalt eines Beiproduktgases, das als Brennstoff verwendet werden kann, gering. Somit tritt in jedem Fall keine Adhäsion oder Ansammlung von Carbiden auf der Innenfläche des Flammrohres 23, des hinteren Flammrohres 33 oder des Übergangsstücks 34 auf, was anderenfalls die Kühleffizienz vermindern würde.
• Das Hochtemperaturgas 16, das durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugt wird, wird von den hinteren Flammrohr 33 durch das Übergangsstück 34 zu dem Turbinendurchlass 35 geliefert, wo es zum Antrieb der Turbine 17 dient.
• zweites Ausführungsbeispiel
• Die 5 zeigt einen Teil einer Maschine mit einem Brenner 114 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In der Zeichnung werden Bezugszeichen, die für das erste Ausführungsbeispiel verwendet wurden, verwendet, um ähnliche Teile des Brenners gemäß diesem Ausführungsbeispiel zu bezeichnen.
• Der Brenner 114 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Brenner 14 des ersten Ausführungsbeispiels darin, dass ein Brennstoff, der Wasserdampf vermischt mit Wasserstoff enthält, verwendet wird. Auch haben die Brenner 114 und 14 jeweils Brennstoff-Einspritzdüsen mit unterschiedlichen Strukturen.
• Insbesondere hat eine Brennstoff-Einspritzdüse 71 des zweiten Ausführungsbeispiels eine Anzahl von Brennstoff-Einspritzdurchlässen 73, die in regulären Intervallen um die Mittelachse 24 gebildet sind. Die Brennstoff-Einspritzdurchlässe 73 sind über die Verbindungsrohre 49 mit dem zylindrischen Raum 48 des Flammrohres 23 verbunden, sodass das Wasserstoffgas 65, das von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 52 geliefert wird, durch den zylindrischen Raum 48 und dann die Verbindungsrohre 49 den Brennstoff-Einspritzdurchlässen 73 zugeführt wird. Die proximale linke Endseite in 5 der Brennstoff-Einspritzdurchlässe 73 ist mit einer Wasserdampf-Zufuhrquelle 74 (d. h. einem Boiler) verbunden, und Wasserdampf 75, der von der Wasserdampf-Zufuhrquelle 74 geliefert wird, wird den Brennstoff-Einspritzdurchlässen 73 zugeführt und wird dann mit dem Wasserstoffgas 65 vermischt, bevor es in die Brennkammer 32 eingespritzt wird.
• Bei dem so aufgebauten Brenner 114 gelangt Wasserstoffgas 65, das von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 52 geliefert wird, in die Brennstoff-Einspritzdurchlässe 73 von dem zylindrischen Raum 48 des Flammrohres 23 durch die Verbindungsrohre 49. Der Wasserdampf 75, der von der Wasserdampf-Zufuhrquelle 74 geliefert wird, gelangt in die Brennstoff-Einspritzdurchlässe. Das Wasserstoffgas 65 und der Wasserdampf 75, die den Brennstoff-Einspritzdurchlässen 73 zugeführt wurden, werden in den Brennstoff-Einspritzdurchlässen 73 gut vermischt und werden dann in die Brennkammer 32 eingespritzt. Die Mischung des Wasserstoffgases 65 und des Wasserdampfs 75, die in die Brennkammer 32 eingespritzt wird, wird zusammen mit der Verbrennungsluft 13' verbrannt, die von der umgebenden Verbrennungsluft-Einspritzdüse 42 eingespritzt wurde, um die Flamme 66 zu bilden.
• Wie oben beschrieben wurde, absorbiert in dem Brenner 114 des zweiten Ausführungsbeispiels das Wasserstoffgas 65 Wärme, wenn es durch den zylindrischen Raum 48 des Flammrohres 23 passiert und dann in den Brennstoff-Einspritzdurchlässen 73 mit dem Wasserdampf 75, der den Brennstoff-Einspritzdurchlässen 73 zugeführt wird, vermischt wird, bevor es in die Brennkammer 32 eingespritzt wird. Die Mischung aus Wasserstoffgas und Wasserdampf wird in die Brennkammer 32 eingespritzt. Dies führt dazu, dass die Temperatur der Flamme verglichen mit dem Fall, bei dem das Wasserstoffgas nicht mit dem Wasserdampf gemischt wird, niedriger gehalten wird, was die Erzeugung von Stickoxiden minimiert, die in dem Verbrennungsgas enthalten sein können.
• Des Weiteren wird das Wasserstoffgas 65 bis zu einem gewissen Ausmaß in dem zylindrischen Raum 48 erhitzt, und somit tritt selbst bei dem Mischen keine Kondensation von Wasserdampf 75 in der Brennstoff-Einspritzdüse auf. Dies vermeidet das Risiko von Korrosion, die aufgrund von Adhäsion von Kondensation an dem Flammrohr auftreten könnte. Des weiteren kann der Wasserstoff, der in dem gewünschten Wasserdampf enthalten ist, immer in die Brennkammer eingespritzt werden, was dazu führt, dass die Stickoxide, die in dem Verbrennungsgas enthalten sind, effektiv minimiert werden können.
• Drittes Ausführungsbeispiel
• Die 6 zeigt einen Teil einer Maschine einschließlich eines Brenners 214 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. In den Zeichnungen werden Bezugszeichen, die für den Brenner 114 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wurden, zur Bezeichnung ähnlicher Teile des Brenners gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendet.
• Der Brenner 214 des dritten Ausführungsbeispiels hat eine Brennstoff-Zufuhrquelle 81 zur Zuführung eines Kohlenwasserstoffs wie beispielsweise Erdgas. Bei dem Brenner 214 wird ein Kohlenwasserstoff 82, der von der Brennstoff-Zufuhrquelle 81 zugeführt wurde, von einem mittigen Einspritzdurchlass 83 der Verbrennungs-Einspritzdüse 71 in die Brennkammer 32 eingespritzt, wo der Kohlenwasserstoff zusammen mit einer Mischung des Wasserstoffgases 65 und des Wasserdampfs 75 in Anwesenheit der Verbrennungsluft 13', die von der Verbrennungsluft-Einspritzdüse 42 eingespritzt wurde, verbrannt wird, um die Flamme 66 zu bilden. Die Brennstoff-Zufuhrquelle 81 kann nicht nur Erdgas sondern auch eine Mischung aus Erdgas und Wasserstoffgas zuführen.
• Viertes Ausführungsbeispiel
• Die 7 zeigt einen Teil einer Maschine einschließlich eines Brenners 314 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. In der Zeichnung werden Bezugsziffern, die für den Brenner 214 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel verwendet wurden, zur Bezeichnung gleicher Teile des Brenners gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendet.
• In dem Brenner 314 des vierten Ausführungsbeispiels sind eine Anzahl von Zusatzbrennern 90 an der distalen Endseite des Flammrohres 23 vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel sind die Zusatzbrenner 90 in einem vorgegebenen Intervall in der Umfangsrichtung auf einem Querschnitt orthogonal zu der Mittelachse 24 angeordnet. Die Zusatzbrenner 90 haben Mischzylinder 91, die zur Erstreckung durch das Flammrohr 23 in jeweiligen radialen Richtungen von der Mittelachse 24 angeordnet sind.
• Brennstoff-Einspritzdüsen 92 sind an dem zylindrischen Teil 25 des Brenner-Druckgehäuses 22 befestigt und sind so angeordnet, dass die Mittelachse der Brennstoff-Einspritzdüsen 92 mit den Mittelachsen der Mischzylinder 91 zusammenfällt. Wie in 8 dargestellt ist, ist ein distales Ende jeder Brennstoff-Einspritzdüse 92 innerhalb eines Bereichs positioniert, d. h. einer Mischkammer 93, die durch den Mischzylinder 91 umgeben wird, sodass ein Brennstoff, der von einer Einspritzöffnung 94 an dem distalen Ende der Brennstoff-Einspritzdüse 92 eingespritzt wird, in die Mischkammer 93 gesprüht wird.
• Wie in der Zeichnung dargestellt ist, ist der Innendurchmesser der des Mischzylinders 91 größer als der Außendurchmesser der Brennstoff-Einspritzdüse 92, um eine Verbrennungsluft-Einlassöffnung 95 zwischen dem Mischzylinder 91 und der Brennstoff-Einspritzdüse 92 zu bilden. Eine Anzahl von Löchern 96 sind in jeweiligen Teilen des Mischzylinders 91, der in dem zylindrischen Raum 48 des Flammrohres 23 positioniert ist, gebildet, um sich durch die inneren und äußeren Flächen des Mischzylinders 91 zu erstrecken, die zwischen der Mischkammer 93 und dem zylindrischen Raum 48 kommunizieren, was es erlaubt, dass ein Teil des Wasserstoffgases 65, das dem zylindrischen Raum 48 zugeführt wurde, in die Mischkammer 93 eingespritzt wird.
• Bei dem Ausführungsbeispiel ist zur Trennung von Wasserstoffgas, das der Brennstoff-Einspritzdüse 71 zugeführt wird, von dem Wasserstoffgas, das den Zusatzbrennern 90 zugeführt wird, wie in 7 dargestellt ist, eine Trennwand 100 in einem im wesentlichen mittigen Teil des Flammrohres 32 vorgesehen, sodass das Wasserstoffgas 65, das von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 52 zugeführt wird, oder ein Teil davon von dem Verbindungsrohr 51 an die Brennstoff-Einspritzdüse 71 geliefert wird, während Wasserstoffgas 65, das von einer Wasserstoff-Zufuhrquelle (zusätzliche Brennstoff-Zufuhrquelle) 52' geliefert wird, oder ein Teil davon von einem Verbindungsrohr 151 an die Zusatzbrenner 30 geliefert wird. Die Wasserstoff-Zufuhrquelle 52' kann dieselbe wie die Wasserstoff-Zufuhrquelle 52 sein.
• Bei dem so aufgebauten Brenner 314 wird eine Mischung aus dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff 82, dem Wasserdampf 75 und dem Wasserstoffgas 65 von der Brennstoff-Einspritzdüse 71 eingespritzt und zusammen mit der Verbrennungsluft 13', die von der Verbrennungsluft-Einspritzdüse 42 eingespritzt wird, verbrannt.
• In den Zusatzbrenner 90 wird der Brennstoff 98, der von der Brennstoff-Zufuhrquelle 97 zugeführt wird, von den Brennstoff-Einspritzdüsen 92 in die Mischkammer 93 eingespritzt. In der Mischkammer 93 gelangt das Wasserstoffgas 65, das von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 52' zugeführt wurde, in den zylindrischen Raum 48 und passiert dann durch die Löcher 96 der Mischzylinder 91 in die Mischkammern 93, und ein Teil der Druckluft 13, die durch den Verbrennungsluft-Zufuhrweg 45 strömt, wird als die Verbrennungsluft 13' in die Mischkammern 93 geliefert, wo der Brennstoff 98, das Wasserstoffgas 65 und die Verbrennungsluft 13' miteinander gemischt werden. Die Mischung wird dann in die Brennkammer 32 eingespritzt und dann verbrannt, um eine Flamme 99 zu bilden.
• bei den Brenner gemäß dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel werden dieselben Vorteile wie bei den Brennern des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels erhalten.
• Bei der obigen Beschreibung ist das Flammrohr 23 aus dem inneren Rohr 46 und dem äußeren Rohr 47 gebildet, um dazwischen den zylindrischen Raum zur Zufuhr von Wasserstoffgas zu bilden; der Raum, der um das Innenrohr 46 gebildet wird, muss jedoch nicht ein zylindrisches Raum sein, der sich kontinuierlich in der Umfangsrichtung erstreckt, und ein Raum für Wasserstoffgaszufuhr kann in einer anderen Weise als in einer Doppelrohrstruktur aus dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr gebildet sein, wobei eine Anzahl von Rohren um das innere Rohr angeordnet sind.
• Bezugszeichenliste

10

Gasturbinenmaschine

11

Kompressor

12

Luft

13

Druckluft

14

Brenner

15

Brennstoff

16

Verbrennungsgas

17

Turbine

18

Rotor

19

Generator

21

äußeres Gehäuse

22

Druckgehäuse

23

Flammrohr

24

Mittelachse (Mittelachse eines Brenner-Druckgehäuses und eines Flammrohres)

25

zylindrischen Teil

26

Endplatte

27

Trägerrohr

28

zylindrischer Raum (Teil eines Verbrennungsluft-Zufuhrwegs)

29

Öffnung eines Trägerrohrs (Teil eines Verbrennungsluft-Zufuhrwegs)

32

Brennkammer

33

hinteres Flammrohr

34

Übergangsstück

35

Turbinendurchlass

36

Abdeckung

37

zylindrischer Raum (Teil eines Verbrennungsluft-Zufuhrwegs)

38

distale Endöffnung

39

Druckluft-Speicher,

40

Verbrennungseinspritzer

41

Brennstoff-Einspritzdüse

42

Verbrennungsluft-Einspritzdüse

43

Brennstoff-Einspritzdurchlass

44

Raum

45

Verbrennungsluft-Zufuhrweg

46

inneres Rohr

47

äußeres Rohr

48

zylindrischer Raum (Kühlmittel-Strömungsweg)

49

Kopplungsrohr

51

Verbindungsrohr

52

Wasserstoff-Zufuhrquelle

53

proximal endseitiger hinterer Rohrteil

54

distal endseitiger hinterer Rohrteil

55

Innenwand

56

Außenwand

57

ringförmiger Kühlraum

58

ringförmiger Auslass

59

Öffnung

62

kühlender Luftfilm

63

kühlender Luftfilm

65

Wasserstoffgas

66

Flamme

Claims (7)

1. Brenner für eine Gasturbine mit: einem Flammrohr und einem Brennstoff-Einspritzer, der an einem Ende des Flammrohres angeordnet ist, um sich durch das Flammrohr zu erstrecken, wobei das Flammrohr ferner aufweist ein Innenrohr, das darin eine Brennkammer bildet, einen Kühlmittel-Strömungsweg in einem zylindrischen Raum, der außerhalb des Innenrohrs gebildet ist, und eine Kühlmittel-Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines Wasserstoffgases an den Kühlmittel-Strömungsweg.
2. Brenner nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittel-Strömungsweg mit dem Brennstoff-Einspritzer verbunden ist und wobei ein Wasserstoffgas, das von der Kühlmittel-Zufuhreinrichtung durch den Kühlmittel-Strömungsweg an den Brennstoff-Einspritzer geliefert wird, von dem Brennstoff-Einspritzer in die Brennkammer eingespritzt wird.
3. Brenner nach Anspruch 2, wobei der Brennstoff-Einspritzer mit einer Wasserdampf-Zufuhrquelle verbunden ist und wobei ein Wasserdampf, der von der Wasserdampf-Zufuhrquelle geliefert wird, und der Wasserstoff, der von der Wasserstoff-Zufuhrquelle geliefert wird, in dem Brennstoff-Einspritzer gemischt und dann in die Brennkammer eingespritzt werden.
4. Brenner nach Anspruch 3, wobei der Brennstoff-Einspritzer mit einer Kohlenwasserstoffbrennstoff-Zufuhrquelle verbunden ist und wobei der Kohlenwasserstoffbrennstoff, der von dem Brennstoff-Einspritzer in die Brennkammer eingespritzt wird, zusammen mit dem Wasserstoff und dem Wasserdampf in der Brennkammer verbrannt wird.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Flammrohr zumindest einen Zusatzbrenner aufweist und wobei der Zusatzbrenner eine zusätzliche Brennstoff-Zufuhrquelle aufweist.
6. Brenner nach Anspruch 5, wobei die zusätzliche Brennstoff-Zufuhrquelle eine Wasserstoff-Zufuhrquelle ist.
7. Gasturbinenmaschine mit einem Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Images