DE19539771B4

DE19539771B4 - Gasturbine

Info

Publication number: DE19539771B4
Application number: DE1995139771
Authority: DE
Inventors: Philipp Brunner; Franz Dr. Joos; Khawar Dr. Syed
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2015-10-27
Also published as: DE19539771A1

Abstract

Gasturbine mit einer ersten (5) und einer zweiten Beschaufelung (7), zwischen denen eine Mischstrecke (13) und eine Brennkammer (14) angeordnet sind und unmittelbar stromabwärts der ersten Beschaufelung (5) in der Mischstrecke (13) eine aus Leitschaufeln gebildete Zusatzleitreihe (10) und Brennstoffdüsen (12) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (12) axial jeweils stromabwärts hinter den Leitschaufeln der Leitreihe (10) positioniert sind, und eine Brennstoffsprührichtung (16) der Brennstoffdüsen (12) hauptsächlich in Richtung einer sich bei Durchströmen der Zusatzleitreihe (10) in radialer Richtung in einem äußeren und einem inneren Bereich eines Strömungsquerschnitts bildenden wirbelartigen Sekundärströmung (20) erfolgt, und dass stromabwärts der Brennstoffdüsen (12) am Übergang von der Mischstrecke (13) zur Brennkammer (14) eine Querschnittserweiterung (15) des Strömungsquerschnitts vorgesehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einer ersten und einer zweiten Beschaufelung, zwischen denen eine Mischstrecke und eine Brennkammer angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb der Gasturbine.

Derartige Gasturbinen mit einer ersten und einer zweiten Beschaufelung, zwischen denen eine Mischstrecke und eine Brennkammer angeordnet ist sind bekannt. Durch entsprechende Massnahmen wird in diesen Gasturbinen vor der Brennkammer der Restdrall der einströmenden Verbrennungsluft abgebaut und über eine Querschnittserweiterung die Strömung vor dem Eintritt in die Brennkammer beruhigt. Die Querschnittserweiterung ist dabei üblicherweise so ausgelegt, dass die Machzahl der Strömung unter 0,1 fällt. Die sich durch die Beruhigung ergebende niedere Turbulenz erschwert jedoch die homogene Vermischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft. Deshalb werden üblicherweise zur Einmischung des Brennstoffes in die Verbrennungsluft Mischelemente wie beispielsweise Drallerzeuger verwendet. Zur guten Vermischung, die zur Erzielung niedriger Schadstoffemissionen und eines flachen Temperaturprofils am Brennkammeraustritt erforderlich ist, müssen jedoch Druckverluste an den Mischelementen in Kauf genommen werden.

Die US 3,919,840 beschreibt in diesem Zusammenhang eine Brennkammer für eine Gasturbine, die über eine Mischstrecke verfügt, in der eine Leitreihe und Brennstoffdüsen vorgesehen sind. Im Bereich der Mischstrecke befinden sich hierbei separierte Kanäle, in denen die verdichtete Luft geleitet und mit in die Kanäle eingedüstem Bennstoff vermischt wird. Das Luft-Brennstoffgemisch wird schließlich durch speziell gestaltete Öffnungen bzw. Zuführkanäle in die Brennkammer eingeleitet. Problematisch bei der beschriebenen technischen Lösung sind vor allem die Flammenstabilisierung in der Brennkammer sowie der verhältnismäßig große Strömungswiderstand im Bereich der Mischstrecke.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbine und einem Verfahren der eingangs genannten Art möglichst niedrige Emissionen von Stickoxiden, Kohlenmonoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu erreichen und die Gasturbine zu vereinfachen.

Insbesondere soll trotz einer Minimierung des Strömungswiderstandes in der Mischstrecke eine gute Durchmischung des eingedüsten Brennstoffs in der verdichteten Luft erreicht und durch eine geeignete Strömungsführung eine Flammenstabilisierung in der Brennkammer sicher gestellt werden.

Erfindungsgemäss wird dies bei einer Gasturbine mit einer ersten und einer zweiten Beschaufelung, zwischen denen eine Mischstrecke und eine Brennkammer angeordnet sind und unmittelbar stromabwärts der ersten Beschaufelung in der Mischstrecke eine aus Leitschaufeln gebildete Zusatzleitreihe und Brennstoffdüsen vorgesehen sind, dadurch erreicht, dass die Brennstoffdüsen axial jeweils stromabwärts hinter den Leitschaufeln der Leitreihe positioniert sind, und eine Brennstoffsprührichtung der Brennstoffdüsen hauptsächlich in Richtung einer sich bei Durchströmen der Zusatzleitreihe in radialer Richtung in einem äußeren und einem inneren Bereich eines Strömungsquerschnitts bildenden wirbelartigen Sekundärströmung erfolgt, wobei stromabwärts der Brennstoffdüsen am Übergang von der Mischstrecke zur Brennkammer eine Querschnittserweiterung des Strömungsquerschnitts vorgesehen ist.

Ein Verfahren zum Betrieb der Gasturbine bei dem der Restdrall der stromauf gelegenen ersten Beschaufelung über eine in der Mischstrecke angeordnete Zusatzleitreihe axial oder quasiaxial ausgerichtet wird und bei dem bei der Ausrichtung eine wirbelartige Sekundärströmung erzeugt wird, die zur grossräumigen Verteilung eines in die Mischstrecke eingedüsten Brennstoffes verwendet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennstoff jeweils stromabwärts axial hinter Leitschaufeln der Zusatzleitreihe in Richtung der wirbelartigen Sekundärströmung eingedüst wird und dass die Sekundärströmung beim Eintritt von der Mischstrecke in die Brennkammer unter Querschnittsvergrößerung zur Flammenstabilisierung verwendet wird.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch die Anordnung einer Zusatzleitreihe unmittelbar nach der Beschaufelung eine Querschnittserweiterung zur Herabsetzung der Machzahl der Strömung nicht mehr benötigt wird. Dadurch wird die Gasturbinenkonstruktion vereinfacht und dadurch kostengünstig. Weitere Vorteile sind, dass unvermeidliche Strömungsverluste, beispielsweise Diffusor- und Gleichrichterverluste, hinter der ersten Beschaufelung unmittelbar zur Verbesserung der Brennstoff-Luft-Mischung verwendet werden. Die durch die Zusatzleitreihen erzeugten Sekundärwirbelsysteme werden aufgrund ihrer grossräumigen Wirbelstrukturen wie auch durch Hilfe der verbleibenden Restturbulenz zur Brennstoffmischung ausgenutzt. Die Restturbulenz wird dabei zur kleinräumigen Verteilung des Brennstoffes verwendet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbine dargestellt.
1 einen Teillängsschnitt durch die Gasturbine;
2 einen Teilquerschnitt durch die Gasturbine entlang Linie II-II in 1.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise das Aussengehäuse sowie das Abgasgehäuse der Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Mach 1 besteht die Gasturbine im wesentlichen aus mindestens zwei Beschaufelungen und einer dazwischenliegenden Brennkammer 14. Eine erste Beschaufelung 5 kann eine Turbinenbeschaufelung oder wie im gezeigten Fall eine Verdichterbeschaufelung sein. Die zweite Beschaufelung 7 ist eine Turbinenbeschaufelung. Die Beschaufelungen 5, 7 werden durch einen beschaufelten Rotor 1 und durch zwei mit Leitschaufeln 2 bestückte Schaufelträger 4a und 4b gebildet. Leitschaufeln 2 und Laufschaufeln 3 bilden jeweils sich abwechselnde Leitschaufel- und Laufschaufelreihen.
Anschliessend an die erste Beschaufelung 5 ist ringförmig um den Rotor 1 eine Mischstrecke 13 und nachfolgend die Brennkammer 14 angeordnet. Am Uebergang zwischen Mischstrecke 13 und Brennkammer 14 befindet sich eine Stufe 15, wodurch sich der Querschnitt von der Mischstrecke zur Brennkammer erweitert.
Ein Ringkanal 18 verläuft zwischen Mischstrecke, Brennkammer und Rotor 1. In diesen Ringkanal wird, bei der Verwendung der ersten Beschaufelung als Verdichterbeschaufelung, die gesamte rotorseitige Kühlluft eingeleitet. Diese Kühlluft wird zur Kühlung der Turbinenelemente verwendet.
Die von der ersten Srömungsmaschine 5 über eine letzte Stufe 6 geleitete Strömung besitzt einen umfangsförmig relativ gleichförmig verteilten, radialen Restdrall. Dieser Restdrall tritt nun in die Mischstrecke 13 ein und wird über Leitschaufeln einer Zusatzleitreihe 10 in der Mischstrecke 13 mehr oder weniger axial ausgerichtet. Ueber eine Brennstofflanze 11 und eine stromabwärts der Zusatzleitreihe 10 in die Mischstrecke einmündende Brennstoffeindüsung 12 kann nun Brennstoff in die Mischstrecke 13 eingedüst werden.
Nach 2 entsteht durch das radiale Profil der Restdrallströmung in der Beschaufelung ein sekundäres Wirbelsystem 20. Dieses Wirbelsystem wird nun verwendet, um den Brennstoff mittels der Brennstoffeindüsung 12 grossräumig in der Mischstrecke 13 zu verteilen. Die bei der axialen Ausrichtung verbleibende Restturbulenz sorgt weiter für die kleinräumige Verteilung des Brennstoffes.
Die Einstellung der Vermischung erfolgt durch die gegenseitige Anordnung von Zusatzleitreihe 10 und Brennstoffeindüsung 12. Die Brennstoffdüsen 12 sind dabei axial hinter der Leitreihe 10 positioniert. Die Brennstoffsprührichtung 16 erfolgt jeweils hauptsächlich in Richtung der Sekundärwirbel 20.
Die Sekundärströmung wird beim Eintritt über die Stufe 15 in die Brennkammer 14 zusätzlich nach der Zündung des Gemisches zur Flammenstabilisierung oder zumindest zur Unterstützung eines nicht dargestellten Flammenhalters verwendet. Die Rauchgase werden danach in die zweite Beschaufelung 7 eingeleitet.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Mischstrecke und die Brennkammer können auch aus mehreren, axial um den Rotor angeordneten Röhren bestehen. Anstelle der Stufe beim Uebergang zur Brennkammer können auch andere Geometrien verwendet werden, bsw. kontinuierlicher Uebergangsbereich, Diffusor, usw.. In die Mischstrecke können auch zur Unterstützung der Sekundärströmung zusätzliche Mischelemente/Drallelemente eingebaut werden. Die Zumischung des Brennstoffes kann auch über die Wände der Zusatzleitreihe erfolgen, wobei der Brennstoff dann zusätzlich zur Kühlung der Zusatzleitreihe verwendet werden kann.

1: Rotor
2: Leitschaufel
3: Laufschaufel
4a, 4b: Leitschaufelträger
5: erste Beschaufelung
6: letzte Stufe der ersten Beschaufelung
7: zweite Beschaufelung (Turbinenbeschaufelung)
10: Zusatzleitreihe
11: Brennstofflanze
12: Brennstoffeindüsung
13: Mischstrecke
14: Brennkammer
15: Stufe
16: Brennstoffsprührichtung
18: Ringkanal
20: sekundäres Wirbelsystem

Claims

Gasturbine mit einer ersten (5) und einer zweiten Beschaufelung (7), zwischen denen eine Mischstrecke (13) und eine Brennkammer (14) angeordnet sind und unmittelbar stromabwärts der ersten Beschaufelung (5) in der Mischstrecke (13) eine aus Leitschaufeln gebildete Zusatzleitreihe (10) und Brennstoffdüsen (12) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (12) axial jeweils stromabwärts hinter den Leitschaufeln der Leitreihe (10) positioniert sind, und eine Brennstoffsprührichtung (16) der Brennstoffdüsen (12) hauptsächlich in Richtung einer sich bei Durchströmen der Zusatzleitreihe (10) in radialer Richtung in einem äußeren und einem inneren Bereich eines Strömungsquerschnitts bildenden wirbelartigen Sekundärströmung (20) erfolgt, und dass stromabwärts der Brennstoffdüsen (12) am Übergang von der Mischstrecke (13) zur Brennkammer (14) eine Querschnittserweiterung (15) des Strömungsquerschnitts vorgesehen ist.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Zusatzleitreihe (10) Brennstoffeindüsungselemente (12) angeordnet sind.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschaufelung (5) eine Verdichterbeschaufelung ist.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschaufelung (5) eine Turbinenbeschaufelung ist.
Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit einer ersten (5) und einer zweiten Beschaufelung (7), zwischen denen eine Mischstrecke (13) und eine Brennkammer (14) angeordnet sind, bei dem der Restdrall der stromauf gelegenen ersten Beschaufelung (5) über eine in der Mischstrecke angeordnete Zusatzleitreihe (10) axial oder quasiaxial ausgerichtet und bei der Ausrichtung eine wirbelartige Sekundärströmung (20) erzeugt wird, die zur großräumigen Verteilung eines in die Mischstrecke (13) eingedüsten Brennstoffs verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff jeweils stromabwärts axial hinter Leitschaufeln der Zusatzleitreihe (10) in Richtung der wirbelartigen Sekundärströmung eingedüst wird und dass die Sekundärströmung beim Eintritt von der Mischstrecke (13) in die Brennkammer (14) unter Querschnittsvergrößerung (15) zur Flammenstabilisierung verwendet wird.