DE3889539T2

DE3889539T2 - Gasturbinenbrennkammer mit tangentialer brennstoffeinspritzung und zusätzlichen treibstrahlen.

Info

Publication number: DE3889539T2
Application number: DE3889539T
Authority: DE
Inventors: Jack Shekleton
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2008-12-22
Also published as: EP0349635B1; US4891936A; EP0349635A4; DE3889539D1; JPH02502847A; EP0349635A1; WO1989006309A1; JP2815953B2

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und insbesondere auf eine verbesserte Brennkammer zur Verwendung in Gasturbinen.

Grundlage der Erfindung

Es ist seit langem bekannt, daß das Erreichen einer gleichförmigen Umfangsverteilung der Turbineneinlaßtemperatur in Gasturbinen sehr erwünscht ist. Eine gleichförmige Verteilung minimiert heiße Stellen und kalte Stellen zur Maximierung der Wirksamkeit des Betriebs und verlängert auch die Lebensdauer derjenigen Teile der Turbine, die heißen Gasen ausgesetzt sind.
Das französische Patent FR-A-1 276 596 veranschaulicht eine Reihe von Anordnungen für die Zuführung von Brennstoff und Verbrennungsluft zu einer ringförmigen Brennkammer. Vorzugsweise wird der Brennstoff axial durch die Endwand der Verbrennungskammer eingespritzt, während primäre Verbrennungsluft und sekundäre Kühlluft durch Öffnungen in den inneren und äußeren Wänden eingeführt werden. Es ist jedoch möglich, Brennstoff durch Injektoren zuzuführen, die in den Lufteinlaßöffnungen angeordnet sind. Die Einlaßöffnungen verleihen im allgemeinen der Einlaßluft eine tangentiale Komponente.
Die britische Patentanmeldung GB-A-2 009 860 veranschaulicht ein Verfahren zum Zuführen von Brennstoff zu einer zylindrischen Brennkammer durch Schaffung eines Brennstoff-Films über die Oberfläche wenigstens eines der primären Lufteinlässe, die um die äußere Wand der Kammer herum angeordnet sind. Dabei gibt es keine Offenbarung von tangential eingespritzter Luft oder tangential eingespritztem Brennstoff.
Um eine gleichförmige Verteilung der Turbineneinlaßtemperatur in Gasturbinen zu erreichen, die ringförmige Brennkammern haben, mußte man eine große Anzahl von Brennstoffinjektoren vorsehen, um sicherzustellen, daß der Brennstoff gleichförmig in der Verbrennungsluft verteilt wird. Brennstoffinjektoren sind recht teuer mit der Folge, daß die Verwendung einer großen Anzahl davon wirtschaftlich nicht zufriedenstellend ist. Wenn die Anzahl der Brennstoffinjektoren in einem System zunimmt, und zwar bei unverändertem Brennstoffverbrauch, wird darüber hinaus der Strömungsbereich für den Brennstoff in jedem Injektor kleiner. Da die Strömungsdurchgänge für den Brennstoff zunehmend kleiner werden, sind die Injektoren anfälliger gegenüber einem Verstopfen aufgrund von sehr kleinen Verunreinigungen in dem Brennstoff.
Dies wiederum verursacht gerade das Problem, das durch die Verwendung einer Anzahl von Brennstoffinjektoren beseitigt werden soll. Insbesondere wird ein unbrauchbarer Brennstoffinjektor eine nicht gleichförmige Turbineneinlaßtemperatur in einer ringförmigen Brennkammer zur Folge haben, mit dem Ergebnis, daß heiße und kalte Stellen auftreten.
Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, wurde im Stand der Technik (beispielsweise FR-A-1 276 596, wie oben diskutiert) vorgeschrieben, daß eine große axiale Einspritzung, die eine Vielzahl von Injektoren verwendet, in dem Maß modifiziert wird, daß solche Injektoren den Brennstoff in die ringförmige Brennkammer mit einer gewissen tangentialen Komponente einspritzen. Der sich ergebende Wirbel von Brennstoff und die Verbrennung unterstützendem Gas schafft eine viel gleichförmigere Mischung von Brennstoff mit der Luft, um eine gleichförmigere Verbrennung zu liefern und somit eine größere umfangsmäßige Gleichförmigkeit in der Turbineneinlaßtemperatur zu erreichen. Jedoch beschäftigt sich diese Lösung nur mit dem Minimieren der Anwesenheit von heißen und/oder kalten Stellen, wenn einer oder mehrere Injektoren verstopfen, und sie behandelt nicht den Wunsch nach Eliminierung einer Anzahl von Brennstoffinjektoren, um Kosten zu vermindern und/oder die Verwendung von Injektoren zu vermeiden, die sehr kleine Strömungsdurchgänge für den Brennstoff haben, die gegen ein Verstopfen anfällig sind.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu überwinden.

Zusammenfasung der Erfindung

Es ist der wesentliche Gegenstand der Erfindung, eine neue und verbesserte ringförmige Brennkammer für eine Gasturbine zu schaffen. Insbesondere ist es ein Gegenstand der Erfindung, eine solche Brennkammer zu schaffen, in der die Anzahl der Brennstoffinjektoren minimiert werden kann und trotzdem eine gleichförmige Umfangsverteilung der Turbineneinlaßtemperatur zusammen mit einer Minimierung der Möglichkeit erreicht wird, daß die Brennstoffinjektoren verstopfen.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung erreicht die vorstehenden Ziele bei einer Gasturbine mit einem Rotor, der Kompressorschaufeln und Turbinenschaufeln hat. Ein Einlaß ist benachbart zu einer Seite der Kompressorschaufeln angeordnet, und ein Diffusor ist benachbart zu der anderen Seite der Kompressorschaufeln angeordnet. Eine Düse ist benachbart zu den Turbinenschaufeln angeordnet, um heiße Gase auf die Turbinenschaufeln zu richten, um eine Drehung des Rotors zu bewirken, und eine ringförmige Brennkammer ist um den Rotor herum angeordnet und hat einen Auslaß, der mit der Düse verbunden ist, sowie einen primären Verbrennungsringraum, der von dem Auslaß entfernt ist. Eine Vielzahl von Brennstoffinjektoren zum Einspritzen von Brennstoff in den primären Verbrennungsringraum ist vorgesehen, die im wesentlichen unter gleichmäßigen Winkelabständen darum herum angeordnet sind. Sie sind so ausgebildet, daß sie Brennstoff in den primären Verbrennungsringraum in einer nominal tangentialen Richtung einspritzen. Die Verbrennung unterstützende Lufteinlässe sind um den primären Verbrennungsringraum herum in altematierender Beziehung zu den Brennstoffinjektoren angeordnet. Die Gaseinlässe sind so ausgebildet, daß sie die Verbrennung unterstützende Luft in den primären Verbrennungsringraum in einer nominal tangentialen Richtung einführen. Auf diese Weise verteilt die die Verbrennung unterstützende Luft von den Gaseinlässen den brennenden Brennstoff gleichförmig um den Ringraum herum, um dadurch die Verwendung von weniger Brennstoffinjektoren zu ermöglichen, während das Auftreten von heißen Stellen oder kalten Stellen vermieden wird. Weil die Anzahl der Brennstoffinjektoren für eine gegebene Turbine minimiert ist, kann darüber hinaus in jedem Injektor der Strömungsweg für den Brennstoff in seiner Größe vergrößert werden, um dadurch die Möglichkeit des Verstopfens zu vermindern.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stehen die Gaseinlässe in Fluidverbindung mit dem Diffusor, um komprimiertes Gas von diesem zu erhalten.
In einem sehr bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Brennstoffinjektoren Brennstoffdüsen auf, die Enden innerhalb des primären Verbrennungsringraums haben, und Luftsprühdüsen für die die Verbrennung unterstützende Luft umgeben jedes der Enden der Brennstoffdüsen der Brennstoffinjektoren.
Die Erfindung beabsichtigt die Verwendung eines Gehäuses für Druckluft, das die Brennkammer mit Abstand umgibt und in Fluidverbindung mit dem Diffusor steht. Die Gaseinlässe öffnen sich zu dem Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der Brennkammer, um von diesem komprimierte Luft zu erhalten.
In einem sehr bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Brennkammer eine innere Wand und eine äußere Wand, und die Injektoren sind an der äußeren Wand angeordnet und so orientiert, daß sie allgemein in einer Richtung tangential zu der inneren Wand einspritzen.
Andere Gegenstände und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird. Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine etwas schematische Schnittansicht einer gemäß der Erfindung hergestellten Turbine;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht etwa längs der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine bruchstücksweise Schnittansicht einer herkömmlichen Form einer Brennstoffeinspritzdüse, die bei der Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich der Fig. 3, aber von einer modifizierten Form einer Brennstoffeinspritzdüse; und
Fig. 5 ist eine Ansicht ähnlich den Fig. 3 und 4, aber von einer noch weiter modifizierten Brennstoffeinspritzdüse.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Eine beispielsweise Ausführungsform einer der gemäß der Erfindung hergestellten Gasturbine ist in den Zeichnungen in Form einer Radialströmungs-Gasturbine veranschaulicht. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann auf jede Form von Turbine oder anderer Brennstoff verbrennender Vorrichtung angewandt werden, die eine ringförmige Brennkammer erfordert.
Die Turbine weist eine drehbare Welle 10 auf, die in nicht gezeigten Lagern drehbar gelagert ist. Benachbart zu einem Ende der Welle 10 ist ein Einlaßbereich 12 vorgesehen. Die Welle 10 lagert einen allgemein mit 14 bezeichneten Rotor, der von herkömmlicher Konstruktion sein kann. Demgemäß weist dieser eine Vielzahl von Kompressorschaufeln 16 auf, die dem Einlaß 12 benachbart sind. Eine Abdeckung 18 für die Kompressorschaufeln ist benachbart hierzu vorgesehen, und unmittelbar radial außerhalb der radial äußeren Extremitäten der Kompressorschaufeln 16 ist ein herkömmlicher Diffusor 20 vorgesehen.
Entgegengesetzt zu den Kompressorschaufeln 16 hat der Rotor 14 eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 22. Unmittelbar radial außerhalb der Turbinenschaufeln 22 ist eine ringförmige Düse 24 vorgesehen, die zur Aufnahme heißer Verbrennungsgase von einer Brennkammer geeignet ist, die allgemein mit 26 bezeichnet ist. Das Kompressorsystem einschließlich der Schaufeln 16, der Abdeckung 18 und des Diffusors 20 liefert heiße Luft zu der Brennkammer 26 und über Luftverteilungsdurchgänge 27 an die Düse 24 zusammen mit den Verbrennungsgasen. Das heißt, heiße Verbrennungsgase von der Brennkammer 26 werden über die Düse 24 gegen die Schaufeln 22 gerichtet, um eine Drehung des Rotors 14 und damit der Welle 10 zu verursachen. Die letztere kann natürlich mit irgendeiner Vorrichtung gekuppelt sein, die die Zurverfügungstellung nutzbarer Arbeit erfordert.
Eine Abdeckung 28 für die Turbinenschaufeln ist zwischen diesen und der Brennkammer 26 eingebaut, um den Strömungsweg von der Düse 24 zu begrenzen und das sich ausdehnende Gas auf den Bereich der Turbinenschaufeln 22 zu beschränken.
Die Brennkammer 26 hat eine allgemein zylindrische innere Wand 32 und eine allgemein zylindrische äußere Wand 34. Die beiden sind konzentrisch und laufen zu einem eingezogenen Bereich 36 zusammen, der als Auslaß von dem inneren Ringraum 38 der Brennkammer zu der Düse 24 dient. Eine dritte Wand 39, allgemein konzentrisch zu den Wänden 32 und 34, verbindet diese, um den Ringraum 38 weiterhin zu definieren.
Gegenüber dem Auslaß 36 und benachbart zu der Wand 39 weist der innere Ringraum 38 der Brennkammer 26 eine primäre Verbrennungszone 40 auf. Mit primärer Verbrennungszone ist gemeint, daß dies der Bereich ist, in dem das Verbrennen des Brennstoffs primär eintritt. Eine weitere Verbrennung kann in manchen Fällen stromabwärts von dem primären Verbrennungsbereich 40 in Richtung auf den Auslaß 36 erfolgen. Wie zuvor erwähnt, ist Vorsorge dafür getroffen, daß Verteilungsluft durch die Durchgänge 27 in die Brennkammer 26 stromabwärts von der primären Verbrennungszone 40 eingeblasen wird, um die Verbrennungsgase auf eine Temperatur abzukühlen, die für das Zuführen zu den Turbinenschaufeln 22 über die Düse 24 geeignet ist.
Auf jeden Fall ist ersichtlich, daß die primäre Verbrennungszone 40 ein Ringraum oder ringförmiger Raum ist, der durch die allgemein radial innere Wand 32, die allgemein radial äußere Wand 34 und die Wand 39 gebildet ist.
Eine weitere Wand 44 ist allgemein konzentrisch zu den Wänden 32 und 34 und ist radial außerhalb der letzteren angeordnet. Die Wand 44 erstreckt sich zu dem Auslaß des Diffusors 20 und dient somit dazu, komprimierte Luft von dem Kompressorsystem aufzunehmen und der Brennkammer 26 zuzuleiten.
Wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist, ist die Brennkammer 26 mit einer Vielzahl von herkömmlichen Brennstoffeinspritzdüsen 50 versehen, von denen eine in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die Brennstoffeinspritzdüsen 50 haben Enden 52, die innerhalb der primären Verbrennungszone 40 angeordnet sind und die so gestaltet sind, daß sie nominal tangential zu der inneren Wand 32 sind. Die Brennstoffeinspritzdüsen 50 benutzen herkömmlicherweise den Druckabfall des Brennstoffs an wirbelerzeugenden Öffnungen 53, um eine Vernebelung des Brennstoffs zu erreichen. Rohre 54 umgeben die Düsen 50. Luft von dem Kompressor strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Rohre 54, um das Vernebeln des Brennstoffs zu verbessern. Somit dienen die Rohre 54 als Lufteinblasrohre.
Die Brennstoffeinspritzdüsen 50 sind unter gleichmäßigen Winkelabständen um den primären Verbrennungsringraum 40 herum angeordnet, und zwischen jedem Paar von benachbarten Düsen 50 ist ein Einlaß 56 für die Verbrennung unterstützende Luft angeordnet. Die Gaseinlässe 56 sind an der Wand 34 angeordnet, und sie stellen eine Fluidverbindung her zwischen dem luftzuführenden Ringraum, der durch die Wände 34 und 44 gebildet ist, und dem primären Verbrennungsringraum 40. Diese Gaseinlässe 56 können etwas umgangssprachlich als "Biegedüsen" benannt werden, wie ersichtlich werden wird. Sie sind auch so orientiert, daß die Verbrennung unterstützende Luft durch sie hindurch in den primären Verbrennungsringraum 40 in einer Richtung eintritt, die nominal tangential zu der inneren Wand 32 ist.
Vorzugsweise sind die Injektoren 50 und die Gaseinlässe 56 koplanar oder in relativ eng beabstandeten Ebenen entfernt von dem Auslaßbereich 36 angeordnet. Eine solche Ebene oder solche Ebenen sind quer zu der Achse der Welle 10.
Als Alternative zu den in Fig. 3 gezeigten herkömmlichen Düsen 50 können diese durch einfache Rohre 60 ersetzt werden, wie sie in Fig. 4 zu sehen sind. In einem solchen Fall liefert die hohe Geschwindigkeit der Luft, die durch die Lufteinblasrohre 54 strömt, die erforderliche Brennstoffvernebelung wie auch eine wünschenswerte und notwendige tangentiale Mischung von Brennstoff und Luft.
Es ist ferner zu bemerken, daß die Anordnung der Brennstoffdüsen 50 oder der Rohre 60 nicht kritisch ist, und Anordnungen, die sich von den beschriebenen unterscheiden, können verwendet werden. Z.B. könnte jedes Lufteinblasrohr 54 mit einer Öffnung 62 in einer seiner Seiten zur Aufnahme der Düse 50 oder eines Rohrs 60 versehen sein. Diese Form der Erfindung ist in Fig. 5 veranschaulicht.
Die Betriebsweise ist allgemein wie folgt: Aus jeder der Düsen 50 austretender Brennstoff tritt längs einer Linie ein, wie sie bei "F" in Verbindung mit der untersten Düse 50 in Fig. 2 gezeigt ist. Diese Linie ist natürlich gerade, und es ist zu erwarten, daß der Brennstoff davon etwas divergiert. Wenn sich der Brennstoff dem benachbarten "Biegeeinlaß" 56 in der Uhrzeigerrichtung nähert, hat die von dem Diffusor 20 und den Kompressorschaufeln 16 her eintretende Luft die Tendenz, den Brennstoffstrom zu einer Stelle abzulenken oder zu biegen, die mehr zentral zu dem primären Verbrennungsringraum 40 liegt, wie es durch die gekrümmte Linie "S" angedeutet ist. Zu dieser Zeit tritt natürlich die Schaffung einer wesentlichen Turbulenz auf, und eine solche Turbulenz fördert die Gleichförmigkeit der Verbrennung innerhalb des primären Verbrennungsringraums 40, und dies wiederum hat eine gleichförmige umfangsmäßige Temperaturverteilung am Turbineneinlaß an der Düse 24 und an den radial äußeren Enden der Turbinenschaufeln 22 zur Folge. Eine solche gleichförmige Temperaturverteilung am Turbineneinlaß wird mit einer gemäß der Erfindung hergestellten Brennkammer erreicht, die etwa die Hälfte der Anzahl der Brennstoffeinspritzdüsen 50 verwendet, die gemäß den Lehren des Standes der Technik erforderlich wären. Mit anderen Worten, jeder "Biegeeinlaß" 56, der von relativ billiger Konstruktion sein kann, hat die Fähigkeit, eine viel teuerere Brennstoffeinspritzdüse 50 zu ersetzen. Somit ergibt sich eine wesentliche Kosteneinsparung.
Wenn die Anzahl der Brennstoffeinspritzdüsen 50 unter Verwendung der Prinzipien der Erfindung halbiert wird, können darüber hinaus die Durchgänge für die Brennstoffströmung der verbleibenden Brennstoffeinspritzdüsen, angenommen sie sind zylindrisch, im Durchmesser etwas über 40 % vergrößert werden. Diese Durchmesservergrößerung vermindert die Möglichkeit des Verstopfens der Brennstoffeinspritzdüsen 50, um eine mehr störungsfreie Vorrichtung zu schaffen.

Claims

1. Gasturbine mit

- einem Rotor (14), der Kompressorschaufeln (16) und Turbinenschaufeln (22) aufweist,

- einem Einlaß benachbart einer Seite der Kompressorschaufeln,

- einem Diffusor (20) benachbart der anderen Seite der Kompressorschaufeln,

- einer Düse (24) benachbart den Turbinenschaufeln zum Richten heißer Gase auf die Turbinenschaufeln zur Veranlassung einer Drehung des Rotors,

- einer ringförmigen Brennkammer (26) um den Rotor herum mit einem Auslaß (36), der mit der Düse verbunden ist, und mit einem primären Verbrennungsringraum (40) entfernt von dem Auslaß, und

- einer Vielzahl von Brennstoffinjektoren (50, 54) zum Einspritzen von Brennstoff in den primären Verbrennungsringraum, die im wesentlichen unter gleichmäßigen Winkelabständen darum herum beabstandet und so ausgebildet sind, daß sie Brennstoff in den primären Verbrennungsringraum in einer allgemein tangentialen Richtung einspritzen,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Vielzahl von die Verbrennung unterstützenden Gaseinlässen (56) um den primären Verbrennungsringraum herum in alternierender Beziehung zu den Brennstoffinjektoren angeordnet ist, wobei die Gaseinlässe so ausgebildet sind, daß sie ein Unterstützungsgas für die Verbrennung in den primären Verbrennungsringraum in einer im allgemeinen tangentialen Richtung einführen, so daß dadurch die Verbrennung unterstützendes Gas von den Gaseinlässen brennenden Brennstoff gleichförmig um den Ringraum herum verteilt.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, bei der die Gaseinlässe (56) in Fluidverbindung mit dem Diffusor (20) stehen, um komprimiertes Gas von diesem zu erhalten.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Brennstoffinjektoren (50, 54) Brennstoffdüsen aufweisen, die Enden (52) innerhalb des primären Verbrennungsring raums und Lufteinlaßrohre (54) aufweisen, die die Düsen (50) umgeben, um die Zerstäubung des Brennstoffs zu verbessern.

4. Gasturbine nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der ein Gehäuse (44) für komprimiertes Gas die Brennkammer (26) mit Abstand umgibt und in Fluidverbindung mit dem Diffusor (20) steht, wobei sich die Gaseinlässe (56) zu dem Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Brenner öffnen, um von diesem komprimiertes Gas zu erhalten.

5. Gasturbine nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die ringförmige Brennkammer (26) eine innere Wand und eine mit Abstand davon angeordnete äußere Wand aufweist, und bei der die Brennstoffinjektoren (50, 54), die an im wesentlichen unter gleichen Winkelabständen angeordneten Stellen um die äußere Wand herum angeordnet sind, allgemein tangential in bezug auf die innere Wand orientiert sind.

6. Gasturbine nach Anspruch 5, bei der die Gaseinlässe (56) auch allgemein tangential in bezug auf die innere Wand orientiert sind.

7. Gasturbine nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Gaseinlässe (56) und die Brennstoffinjektoren (50, 54) in einer einzigen Ebene oder in relativ eng beabstandeten Ebenen und entfernt von dem Auslaß angeordnet sind.