DE60216366T2

DE60216366T2 - Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE60216366T2
Application number: DE60216366T
Authority: DE
Inventors: Katsunori 2-chome Takasago Tanaka; Teruaki Takasago-shi Akamatsu
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2022-06-08
Also published as: CA2390446C; EP1267128B1; DE60216366D1; EP1267128A3; JP2002372240A; EP1267128A2; JP4610796B2; CA2390446A1; US20020189258A1; US6742338B2

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer, die das Verbrennen von Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme durch die Rückströmung eines Brennstoffgases verhindern kann.
Hintergrund der Erfindung
Ein Diffusions-Verbrennungssystem, bei dem Brennstoff und Luft aus verschiedenen Düsen ausgestoßen und verbrannt werden, ist bei herkömmlichen Gasturbinenbrennkammern oft verwendet worden. In jüngster Zeit ist aber auch ein Vorgemisch-Verbrennungssystem, das bei der Verringerung von thermischem NO_x von Vorteil ist, anstelle des Diffusions-Verbrennungssystems eingesetzt worden. Das Vorgemisch-Verbrennungssystem bedeutet, dass Brennstoff und Luft miteinander vorgemischt werden und das Gemisch aus der gleichen Düse ausgestoßen und verbrannt wird. Gemäß diesem Verbrennungssystem ist es auch dann, wenn Brennstoff verdünnt wird, möglich, den Brennstoff in diesem Zustand in jedem Verbrennungsbereich zu verbrennen. Daher ist es einfach, die Temperatur des vorgemischten Brennstoffs zu mindern, und im Vergleich zu dem Diffusions-Verbrennungssystem von Vorteil bei der Verringerung von NO_x. Andererseits hat dieses Vorgemisch-Verbrennungssystem die folgenden Probleme. D.h., da die Luft im Vergleich zum Brennstoff im Überschuss vorhanden ist und die Temperatur der Vorgemischflammen niedrig ist, ist die Stabilität eines Verbrennungsstadiums geringer.
In jüngster Zeit wurde eine Technik bekannt, die verteilte Flammen anwendet, welche durch Reagierenlassen eines Pilotbrennstoffs mit der Luft als Pilotflammen gebildet werden, so dass die oben genannten Probleme gelöst werden und ein stabiler Verbrennungszustand beibehalten wird, während der Brennstoff in dem Vorgemisch-Verbrennungssystem verdünnt wird. Im einzelnen dient diese Technik zum Zünden von Vorgemischgas mittels eines Hochtemperatur-Verbrennungsgases, das aus verteilten Flammen ausgetragen wird, und zum Stabilisieren der Vorgemischflammen in dem Vorgemisch-Verbrennungssystem. Eine Gasturbinenbrennkammer, die diese Technik anwendet, wird als "Mehrdüsen-Vorgemisch-Gasturbinenbrennkammer" (multi nozzle premix type gas turbine combustor) bezeichnet.
7 ist eine Vorderansicht einer Mehrdüsen-Vorgemisch-Gasturbinenbrennkammer, die herkömmlicherweise verwendet wurde. 8 ist eine Schnittansicht der in 7 gezeigten Brennkammer in einer Axialrichtung. Ein Brennkammer-Innenzylinder 20 ist in einem Brennkammer-Außengehäuse 10 mit einem bestimmten Abstand vorgesehen, der zwischen dem Brennkammer-Außengehäuse 10 und dem Brennkammer-Innenzylinder 20 gehalten wird. Ein Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme, der verteilte Flammen bildet, ist im zentralen Abschnitt des Brennkammer-Innenzylinders 20 vorgesehen. Der Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme bewirkt, dass von einer Pilotbrennstoff-Zuführdüse 31 zugeführter Pilotbrennstoff mit der von dem Abschnitt zwischen dem Brennkammer-Außengehäuse 10 und dem Brennkammer-Innenzylinder 20 zugeführter Luft reagiert und verteilte Flammen bilden.
Acht Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme, welche Vorgemischflammen bilden, sind um den Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme vorgesehen. Vorgemischgas wird durch Mischen der von dem Abschnitt zwischen dem Brennkammer-Außengehäuse 10 und dem Brennkammer-Innenzylinder 20 zugeführter Luft mit Hauptbrennstoff und anschließendes Ausstoßen aus den Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme gebildet. Das aus den Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme ausgestoßene Vorgemischgas wird durch Hochtemperaturgas gezündet, das von den verteilten Flammen ausgetragen wird, um dadurch Vorgemischflammen zu bilden. Von den Vorgemischflammen wird Hochtemperatur-Hochdruck- Verbrennungsgas ausgetragen. Das Verbrennungsgas wird durch ein Brennkammer-Endrohr (nicht gezeigt) geleitet und wird dann in die Düse der ersten Stufe einer Turbine eingeleitet.
Da die Auslässe der herkömmlichen Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme elliptisch sind, sind die Zwischenräume bzw. Abstände zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme nicht konstant, wie in 7 gezeigt ist. Daher strömt das aus der Vorgemischflamme ausgetragene Hochtemperatur-Verbrennungsgas wegen ungleichmäßiger Luftströmungen zwischen den breiten Zwischenräumen und den schmalen Zwischenräumen zurück. Abschnitte, an denen die Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme aneinandergrenzen (die Seitenflächenabschnitte der Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme, die in der Umfangsrichtung des Brennkammer-Innenzylinders 20 aneinandergrenzen), werden stark verbrannt, was ein Nachteil ist.
Um das Verbrennen zu vermeiden, ist es möglich, die Düsen 40 zur Bildung der Vorgemischflamme so anzuordnen, dass ein bestimmter Zwischenraum von einem zum anderen beibehalten wird, um ein Zurückströmen des Verbrennungsgases zu vermeiden. Falls die Anzahl der nach obiger Beschreibung angeordneten Düsen aber klein ist oder viele Düsen nach obiger Beschreibung anzuordnen sind, wird die Dimension der Brennkammer selbst groß, was ein Nachteil ist.
US-A-5640841 offenbart eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Innenzylinder und einem Konus zur Bildung einer verteilten Flamme sowie mehrere Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme, die ringförmig zwischen dem Innenzylinder und dem Konus zur Bildung der verteilten Flamme angeordnet sind. Die Düsenauslässe der Düsen zur Bildung der Vorgemischflamme sind im wesentlichen kreisförmig und sind ohne einen Zwischenraum mit dem Außenumfang des Konus zur Bildung der verteilten Flamme verbunden. Dreieckige Abstandselemente sind im wesentlichen an den dreieckigen Zwischenräumen zwischen Außenumfängen der Düsenauslässe der Düsen zur Bildung der Vorgemischflamme und dem Umfang des Brennkammer-Innenzylinders angeordnet.
EP-A-1134494, die gemäß Art. 55(3) EPC zum Stand der Technik gehört, offenbart eine ähnliche Gasturbinenbrennkammer, bei der die dreieckigen Abstandselemente des oben erwähnten Standes der Technik durch Führungselemente ersetzt sind, die sich von einer stromaufwärtigen Seite an einem Zwischenverbindungspunkt zwischen benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme bis zu einer stromabwärtigen Seite erstrecken und mit einer Innenumfangswand des Brennkammer-Innenzylinders verbunden sind, um eine Stagnation der Strömung zu vermeiden und die Verbrennung zu stabilisieren, und um eine Verbrennung nahe den Wandflächen des Brennkammer-Innenzylinders zu vermeiden.
US-A-6038861 offenbart eine Gasturbinenbrennkammer, bei der die Düsenauslässe der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme mit Übergangskanälen versehen sind, die sich in der Axialrichtung der Brennkammer so weit erstrecken, bis sich jeder Übergangskanal mit den angrenzenden Übergangskanälen trifft und einen kontinuierlichen Ring am Auslass bildet. Dieser Ring am Auslass ist ohne irgendeinen Zwischenraum in Bezug auf den Brennkammer-Innenzylinder und den Konus zur Bildung einer verteilten Flamme angeordnet.
Abriss der Erfindung
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Gasturbinenbrennkammer bereitzustellen, die das Verbrennen von Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme infolge der Rückströmung von Hochtemperatur-Verbrennungsgas vermeiden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Gasturbinenbrennkammer bereitgestellt wird, wie sie in Anspruch 1, Anspruch 8 oder Anspruch 9 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Da bei der herkömmlichen Gasturbinenbrennkammer die Anstände bzw. Zwischenräume zwischen den Außenumfängen der aneinandergrenzenden Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme nicht konstant sind, strömt der Großteil der Kühlluft aus den Abschnitten zwischen den benachbarten Vorgemischdüsen und dem Brennkammer-Innenzylinder und dergleichen aus.
Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Düsenauslass der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme so geformt, dass die Zwischenräume zwischen den Außenumfängen der aneinandergrenzenden Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme die gleichen Dimensionen an den Düsenauslässen aufweisen. Daher strömt die gekühlte Luft sogar in die Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme. Infolgedessen ist es möglich, ein Zurückströmen von Verbrennungsgas zu den Abschnitten zwischen den aneinandergrenzenden Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden und ein Brennen der Abschnitte zwischen den aneinandergrenzenden Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu verhindern.
Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden durch Dichtungselemente, die zwischen den aneinandergrenzenden Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme vorgesehen sind, jeweils die Zwischenräume zwischen den Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme, die aneinandergrenzen, an Düsenauslässen mit den gleichen Dimensionen gestaltet. Daher strömt die Kühlluft sogar in die Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme, wodurch es möglich wird, den Rückstrom von Verbrennungsgas in diese Abschnitte auszuschalten. Infolgedessen ist es möglich, zu verhindern, dass die Abschnitte zwischen den aneinandergrenzenden Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme verbrannt werden.
Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden durch Vorsehen der Dichtungselemente in den allgemein dreieckigen Räumen Zwischenräume von annähernd gleichen Dimensionen zwischen den Außenumfängen der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme geschaffen. Daher wird der Großteil der Kühlluft durch die Zwischenräume geleitet, so dass es möglich ist, ein Zurückströmen von Verbrennungsgas zu den Abschnitten zwischen den aneinandergrenzenden Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden und ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu verhindern.
Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Innenseite des Brennkammer-Innenzylinders und die Außenseite des Konus zur Bildung einer verteilten Flamme so geformt, dass sie mit der Außenform der Gruppen von ringförmigen Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme mit jeweils gleichen Dimensionen zusammenpassen. Daher strömt die Kühlluft gleichmäßig in die Umfänge der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme. Es ist daher möglich, das Zurückströmen von Verbrennungsgas in die Richtung der benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden. Infolgedessen ist es möglich, ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu verhindern.
Weitere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 eine Vorderansicht einer Gasturbinenbrennkammer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Vorderansicht einer Modifikation der Gasturbinenbrennkammer gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine Vorderansicht einer Gasturbinenbrennkammer gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
4A eine Seitenansicht, und
4B eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Dichtungselements,
5 eine Vorderansicht einer Gasturbinenbrennkammer gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
6 eine Vorderansicht einer Gasturbinenbrennkammer gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
7 eine Vorderansicht einer herkömmlicherweise verwendeten Gasturbinenbrennkammer eines Mehrdüsen-Vorgemischtyps, und
8 eine Schnittansicht der in 7 gezeigten Gasturbinenbrennkammer in einer Axialrichtung.
Detaillierte Beschreibung
Ausführungsformen der Gasturbinenbrennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist anzumerken, dass diese Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt sein soll. Es ist auch anzumerken, dass Bestandteile in den Ausführungsformen, die nachstehend zu beschreiben sind, solche umfassen, von denen ein Fachmann ohne weiteres ausgehen kann.
1 ist eine Vorderansicht der Gasturbinenbrennkammer gemäß der ersten Ausführungsform. Es ist anzumerken, dass diese Erfindung nicht nur auf einen Fall des direkten Ausstoßes von Vorgemischgas aus den Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu einer Brennkammer hin anwendbar ist, sondern auch auf einen Fall, bei dem Verlängerungsrohre an den Düsen vorgesehen sind und das Vorgemischgas zur Brennkammer hin ausstoßen.
Eine Düse 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme gemäß dieser Gasturbinenbrennkammer hat einen sektorförmigen Auslass, um dadurch den Zwischenraum 60 zwischen benachbarten Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme konstant zu halten. Acht Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme sind ringförmig um einen Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme, der verteilte Verbrennungsflammen bildet, angeordnet. Es ist anzumerken, dass die Anzahl der Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme nicht auf acht beschränkt ist, sondern entsprechend der Spezifikation der Brennkammer geändert werden kann. Außerdem wird bevorzugt, die Größe des Zwischenraums 60 in geeigneter Weise in Hinblick auf die Größen und Formen der Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme, des Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme und dergleichen festzulegen.
Zusätzlich zum Konstanthalten der Größen der Zwischenräume zwischen den Außenumfängen der Auslässe der benachbarten Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme können die Größen der Abstände zwischen den Außenumfangsabschnitten der Auslässe der Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Innenumfang des Auslasses des Brennkammer-Innenzylinders 20, oder aber die Zwischenräume zwischen den Außenumfangsabschnitten der Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Innenumfang des Auslasses des Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme konstant gehalten werden. Falls dies geschieht, kann Kühlluft gleichmäßig in mehreren Bereichen an den Außenumfängen der Auslässe der Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme strömen, und die Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme können vollständig und gleichmäßig gekühlt werden.
Vorzugsweise ist einer der Abstände zwischen den Außenumfangsabschnitten der Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Innenumfang des Auslasses des Brennkammer-Innenzylinders 20, nämlich der Zwischenraum zwischen dem Außenumfangsabschnitt der Düse 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Außenumfang des Auslasses des Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme, sowie der Zwischenraum zwischen den aneinandergrenzenden Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme in der Größe nicht sehr unterschiedlich zu den anderen beiden Zwischenräumen. Dies liegt daran, dass, falls einer der Zwischenräume sich in der Größe stark von den anderen beiden Zwischenräumen unterscheidet, der Großteil der Kühlluft durch die Zwischenräume der sich stark unterscheidenden Größe strömt, oder umgekehrt die Kühlluft kaum durch sie strömt.
Diese Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Die von einem Kompressor (nicht gezeigt) zugeführte Luft wird in das Brennkammer-Außengehäuse 10 eingeleitet. Nachdem die Luft zwischen dem Brennkammer-Außengehäuse 10 und dem Brennkammer-Innenzylinder 20 durchgeströmt ist, ändert sie ihre Bewegungsrichtung um 180°. Danach wird die Luft den Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme von der Rückseite des Brennkammer-Innenzylinders 20 aus zugeführt und mit Hauptbrennstoff bzw. Pilotbrennstoff gemischt. Außerdem wird ein Teil der Luft durch die Zwischenräume zwischen dem Brennkammer-Innenzylinder 20 und den Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme sowie zwischen den Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme durchgeleitet und zu der Brennkammer 50 hin ausgetragen. Während dieser Zeit kühlt die Luft den Brennkammer-Innenzylinder 20, die Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme und den Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme, und verhindert ferner ein Zurückströmen von Hochtemperatur-Verbrennungsgas von der Seite der Brennkammer 50.
Der Pilotbrennstoff wird mit der vom Kompressor zugeführten Luft zur Reaktion gebracht, um verteilte Flammen zu bilden, und die verteilten Flammen werden aus dem Konus 30 zur Bildung verteilter Flammen ausgestoßen. Außerdem wird die Luft mit dem Hauptbrennstoff in großen Mengen gemischt, um dadurch ein Vorgemischgas in den Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme zu bilden. Dieses Vorgemischgas wird unmittelbar durch das Hochtemperatur-Verbrennungsgas, das aus den verteilten Flammen ausgetragen wird, gezündet. Dabei werden an den Auslässen der Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme Vorgemischflammen gebildet, und von den Vorgemischflammen wird Hochtemperatur- Hochdruck-Verbrennungsgas ausgetragen. Das Verbrennungsgas wird durch ein Brennkammer-Endrohr (nicht gezeigt) geleitet und in eine Düse der ersten Stufe einer Turbine eingeleitet.
Andererseits wird nach dem Kühlen der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme und dgl. ein Teil der vom Kompressor zugeführten Luft durch die Zwischenräume zwischen den Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Brennkammer-Innenzylinder 20 und dgl. geleitet und zu der Brennkammer 50 hin ausgetragen. Da bei der herkömmlichen Gasturbinenbrennkammer die Auslässe der Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme elliptisch sind, wird der Großteil der Kühlluft aus allgemein rechteckigen Räumen 62 (siehe 7) ausgetragen, die zwischen den aneinandergrenzenden Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flammen sowie zwischen den aneinandergrenzenden Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Brennkammer-Innenzylinder 20 ausgebildet sind. Infolgedessen werden die Strömungen der durch die allgemein rechteckigen Räume 62 und die Zwischenräume 63 zwischen den aneinandergrenzenden Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme strömenden Kühlluft ungleichmäßig. Die ungleichmäßigen Luftströme verursachen oft den Rückstrom des Hochtemperatur-Verbrennungsgases, das aus den Vorgemischflammen ausgetragen wird, und das so zurückströmende Verbrennungsgas verbrennt oft den Abschnitt, in dem die Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme nebeneinander liegen.
Gemäß der Gasturbinenbrennkammer der ersten Ausführungsform hingegen sind die Auslässe der Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme sektorförmig, und die Düsen 41, die solche Auslässe aufweisen, sind um den Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme herum angeordnet. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme bestehen allgemein keine rechteckigen Zwischenräume 62, die zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme und dgl. ausgebildet sind. Daher wird im Gegensatz zu der herkömmlichen Gasturbinenbrennkammer die Strömung der Kühlluft nicht ungleichmäßig, sondern die Kühlluft kann gleichmäßig in die Abschnitte zwischen den aneinandergrenzenden Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme strömen, wodurch es möglich wird, ein Zurückströmen des Verbrennungsgases zu den Abschnitten zwischen den benachbarten Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden. Infolgedessen ist es möglich, zu verhindern, dass die Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen 41 zur Bildung einer Vorgemischflamme verbrannt werden.
2 ist eine Vorderansicht einer Modifikation der Gasturbinenbrennkammer gemäß der ersten Ausführungsform. Düsen 40 und 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme gemäß dieser Gasturbinenbrennkammer haben Auslässe, die so geformt sind, dass die benachbarten Düsen 40 und 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme ineinandergesetzt sind, wodurch die Abstände bzw. Zwischenräume 60 zwischen den benachbarten Düsen 40 und 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme konstant gehalten werden.
Die in 2 gezeigte Gasturbinenbrennkammer ist so konfiguriert, dass die Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme elliptische Auslässe aufweisen, und die Düsen 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme allgemein umhüllende Auslässe haben, die alternierend kombiniert und ringförmig um einen Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme herum angeordnet sind. Eine Düse 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme ist einer Düse 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme mit dem elliptischen Auslass benachbart. Außerdem ist der Außenumfangsabschnitt jeder Düse 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme konkav, um mit dem Außenumfang jeder Düse 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme zusammenzupassen. Wenn daher die Düsen 40 und 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme alternierend angeordnet sind, können die Zwischenräume 60 zwischen den Düsen 40 und 42 konstant gehalten werden.
Wie bisher festgestellt wurde, werden gemäß der ersten Ausführungsform, da die Abstände bzw. Zwischenräume 60 zwischen den benachbarten Abschnitten konstant gehalten werden, die Strömungen der Kühlluft nicht ungleichmäßig, und die Kühlluft kann sogar in die Abschnitte zwischen den Düsen 40 und 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme einströmen. Infolgedessen ist es möglich, ein Zurückströmen von Verbrennungsgas in die Zwischenräume 60 zwischen den benachbarten Düsen 40 und 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden und ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen 40 und 42 zur Bildung einer Vorgemischflamme zu verhindern.
3 ist eine Vorderansicht der Gasturbinenbrennkammer gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Gasturbinenbrennkammer stellt Dichtungselemente 70 bereit, welche die allgemein rechteckigen Zwischenräume 62 (siehe 7) an den Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme abdichten. Die Dichtungselemente 70 sind an den Auslässen der Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme vorgesehen und stehen von den Auslässen der Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme vor. Die Dichtungselemente 70 sind so angeordnet, dass sie die Abstände bzw.
Zwischenräume 60 zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme konstant halten. Bevorzugterweise sind die Dichtungselemente 70 integral mit den Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme in Hinblick auf die Festigkeit ausgebildet. Alternativ kann, statt die Dichtungselemente 70 an allen Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme vorzusehen, ein Dichtungselement 70 beispielsweise an einer der benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme vorgesehen sein, und der Auslass der anderen Düse 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme kann so geformt sein, dass er mit dem Dichtungselement 70 zusammenpasst. Es ist auch möglich, die Seite jedes Dichtungselements 70, an der Kühlluft auftrifft, so zu konfigurieren, wie es beispielsweise in 4A und 4B gezeigt ist, damit die Strömung der Kühlluft nicht gestört wird.
Bei der Gasturbinenbrennkammer der zweiten Ausführungsform dichten die Dichtungselemente 70 die dreieckigen Zwischenräume 62 (siehe 7) ab, die zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme sowie zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Brennkammer-Innenzylinder 20 bestehen. An den Auslässen der benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme sind Zwischenräume 60 gleicher Dimensionen jeweils durch die Dichtungselemente 70 vorgesehen.
Bei der herkömmlichen Gasturbinenbrennkammer strömt der Großteil der Kühlluft aus den allgemein dreieckigen Zwischenräumen 62 aus. Bei der Gasturbinenbrennkammer der zweiten Ausführungsform aber strömt die Kühlluft gleichmäßig aus den Zwischenräumen 60 mit wegen der Dichtungselemente 70 gleichen Dimensionen aus. Daher wird die Strömung der Kühlluft nicht ungleichmäßig, wie es bei der herkömmlichen Brennkammer geschieht, sondern die Kühlluft strömt gleichmäßig in die Zwischenräume 60 zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und ermöglicht es, ein Zurückströmen von Verbrennungsgas zu den Zwischenräumen 60 zu verhindern. Infolgedessen ist es möglich, ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden.
5 ist eine Vorderansicht der Gasturbinenbrennkammer gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Gasturbinenbrennkammer stellt Dichtungselemente 70 mit Winkelquerschnitten bereit, welche die allgemein rechteckigen Zwischenräume 62 (siehe 7) an einem Brennkammer-Innenzylinder 20 bzw. einem Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme abdichten. Die Dichtungselemente 70, von denen jedes einen winkeligen Querschnitt in einer Vorderansicht aufweist, sind an den Umfangsabschnitten des Brennkammer-Innenzylinders 20 bzw. Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme vorgesehen. Bevorzugterweise sind die Dichtungselemente 70 jeweils integral mit dem Brennkammer-Innenzylinder 20 bzw. dem Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme in Hinblick auf die Festigkeit ausgebildet. Es ist anzumerken, dass die Seite jedes Dichtungselements 70, auf die die Kühlluft auftrifft, so konfiguriert sein kann, dass eine Störung des Strömens der Kühlluft vermieden wird, wie oben festgestellt wurde.
Bei der dritten Ausführungsform dichten die Dichtungselemente 70 die allgemein dreieckigen Zwischenräume 62 (siehe 7) ab, die zwischen benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme sowie zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Brennkammer-Innenzylinder 20 bestehen. Zwischenräume gleicher Dimensionen sind zwischen den Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und den Dichtungselementen 70 vorgesehen. Im Fall der herkömmlichen Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme strömt der Großteil der Kühlluft aus den allgemein dreieckigen Zwischenräumen 62 aus. Bei der vorliegenden Gasturbinenbrennkammer strömt die Kühlluft gleichmäßig von den Umfängen der Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme aus. Die Strömungen der Kühlluft werden daher nicht ungleichmäßig und die Kühlluft strömt sogar zu den Abschnitten zwischen den Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme, wobei es möglich wird, ein Zurückströmen des Verbrennungsgases zu den benachbarten Abschnitten zwischen den Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden. Infolgedessen ist es möglich, ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme zu verhindern.
6 ist eine Vorderansicht der Gasturbinenbrennkammer gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Gasturbinenbrennkammer ist so gestaltet, dass die innere Form einer inneren Brennkammerdüse 20 und die äußere Form eines Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme mit der äußeren Form eine Gruppe von Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme mit dazwischen gehaltenen Abständen bzw. Zwischenräumen einer bestimmten Größe zusammenpasst. Wie in 56 gezeigt ist, sind der Außenumfang des Brennkammer-Innenzylinders 20 und der des Konus 30 zur Bildung einer verteilten Flamme in einer gewellten bzw. geriffelten Form entlang dem ringförmigen Außenumfang der Gruppe der Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme gekrümmt, wobei jede jeweils einen elliptischen Querschnitt aufweist. Im Fall der herkömmlichen Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme strömt der Großteil der Kühlluft aus den allgemein rechteckigen Zwischenräumen 62 (siehe 7) aus. Im Fall der Düsen dieser Gasturbinenbrennkammer strömt die Kühlluft aus den gesamten Umfängen der Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme aus. Daher kommt es zu keinen ungleichmäßigen Strömungen der Kühlluft im Gegensatz zu der herkömmlich Gasturbinenbrennkammer, und die Kühlluft strömt ausreichend in die Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und ermöglicht es, ein Zurückströmen von Verbrennungsgas zu den Abschnitten zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme zu verhindern. Infolgedessen ist es möglich, ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden. Bevorzugterweise sind die Abstände bzw. Zwischenräume zwischen den benachbarten Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme, diejenigen zwischen den Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Brennkammer-Innenzylinder 20 und diejenigen zwischen den Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Konus zur Bildung einer verteilten Flamme jeweils gleich eingestellt. Dadurch strömt die Kühlluft von dem Umfängen der Düsen 40 zur Bildung einer Vorgemischflamme noch gleichmäßiger aus und ermöglicht es, das Zurückströmen des Verbrennungsgases noch wirksamer zu verhindern.
Wie bisher festgestellt wurde, sind gemäß der Gasturbinenbrennkammer nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung Düsenauslässe der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme so geformt, dass Abstände bzw. Zwischenräume zwischen Außenumfängen der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme, die aneinandergrenzen, die gleichen Dimensionen an den Düsenauslässen aufweisen. Daher strömt die Luft sogar in die Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme, und das Zurückströmen von Verbrennungsgas zu den Abschnitten zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme kann vermieden werden. Infolgedessen ist es möglich, ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden.
Außerdem sind die Zwischenräume zwischen den Außenumfängen der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme allgemein an den Düsenauslässen linear. Daher ist es möglich, ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden und die Herstellung der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme relativ zu erleichtern.
Ferner sind entweder Abstände bzw. Zwischenräume zwischen Außenumfängen der Düsenauslässe der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme und einem Innenumfang eines Auslasses des Brennkammer-Innenzylinders, oder Zwischenräume zwischen den Außenumfängen der Düsenauslässe der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme und einem Außenumfang eines Auslasses des Konus zur Bildung einer verteilten Flamme so eingestellt, dass sie konstant sind. Daher kann die Kühlluft gleichmäßig in mehrere Bereiche an den Außenumfängen der Auslässe der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme strömen, und es ist möglich, noch wirksamer ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden.
Gemäß der Gasturbinenbrennkammer nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden durch Dichtungselemente, die zwischen den aneinandergrenzenden Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme vorgesehen sind, jeweils die Abstände bzw. Zwischenräume zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme mit gleichen Dimensionen an den Düsenauslässen gestaltet. Daher strömt die Kühlluft auch in die Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme, wodurch es möglich wird, das Zurückströmen des Verbrennungsgases in diese Abschnitte zu vermeiden, und ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu verhindern.
Gemäß der Gasturbinenbrennkammer nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Dichtungselemente, die jeweils einen Winkelquerschnitt aufweisen, in allgemeinen dreieckigen Zwischenräumen angeordnet, die zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Konus zur Bildung einer verteilten Flamme sowie zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Brennkammer-Innenzylinder ausgebildet sind, während jeweils Zwischenräume gleicher Dimensionen zwischen dem Dichtungselement und Außenumfängen der Auslässe der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme ausgebildet sind. Die Dichtungselemente eliminieren die allgemein dreieckigen Zwischenräume, die zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Konus zur Bildung einer verteilten Flamme sowie zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme und dem Brennkammer-Innenzylinder ausgebildet sind. Daher strömt die Kühlluft gleichmäßig auch in die Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme. Infolgedessen ist es möglich, das Zurückströmen des Verbrennungsgases in die Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu vermeiden, infolgedessen ist es möglich, eine Verbrennung der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu verhindern.
Gemäß der Gasturbinenbrennkammer nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Innenseite des Brennkammer-Innenzylinders und die Außenseite des Konus zur Bildung einer verteilten Flamme so geformt, dass sie mit der Außenform der ringförmigen Gruppen von Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme mit jeweils gleichen Dimensionen zusammenpassen. Daher strömt die Kühlluft gleichmäßig in die Umfänge der Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme, und es ist möglich, dadurch das Zurückströmen des Verbrennungsgases in der Richtung auf die benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme hin zu vermeiden. Infolgedessen ist es möglich, ein Verbrennen der Abschnitte zwischen den benachbarten Düsen zur Bildung einer Vorgemischflamme zu verhindern.

Claims

Gasturbinen-Brennkammer mit: einem Brennkammer-Innenzylinder (20), einem Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme, der innerhalb des Brennkammer-Innenzylinders (20) angeordnet ist, um durch Mischen eines Pilotbrennstoffs mit Luft verteilte Flammen zu bilden, und mehreren Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (41; 20, 42; 40) zum Bilden von Vorgemischflammen aus einem durch Mischen eines Hauptbrennstoffs mit der Luft gebildeten Vorgemischgas, die ringförmig zwischen dem Brennkammer-Innenzylinder (20) und dem Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Düsenauslässe der Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (41; 40, 42; 40) so geformt sind, dass Zwischenräume (60) zwischen Außenumfängen der Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (41; 40, 42; 40), die einander benachbart sind, die gleiche Dimension an den Düsenauslässen aufweisen.
Gasturbinen-Brennkammer nach Anspruch 1, wobei die Zwischenräume (60) zwischen den Außenumfängen der Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (41; 40) allgemein an den Düsenauslässen linear sind.
Gasturbinen-Brennkammer nach Anspruch 1, wobei Düsen (40) zur Bildung einer Vorgemischflamme mit elliptischen Auslässen und Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (42) mit allgemein umhüllenden Auslässen alternierend angeordnet sind.
Gasturbinen-Brennkammer nach Anspruch 1, wobei Dichtungselemente (70) an den Auslässen der Vorgemisch flammen-Bildungsdüsen (40) so vorgesehen sind, dass sie von den Auslässen vorstehen, und so angeordnet sind, dass sie die Zwischenräume (60) zwischen benachbarten Düsen (40) zur Bildung einer Vorgemischflamme konstant halten.
Gasturbinen-Brennkammer nach Anspruch 4, wobei die Dichtungselemente (70) so geformt sind, dass sie allgemein dreieckige Räume (62), die zwischen benachbarten Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40), und dem Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme sowie zwischen benachbarten Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) und dem Brennkammer-Innenzylinder (20) existieren, allgemein abdichten.
Gasturbinen-Brennkammer nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Dichtungselement (70) am Auslaß einer der Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) vorgesehen ist, so dass es von dem Auslaß vorsteht, und die Auslässe der benachbarten Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) so geformt sind, dass sie mit dem Dichtungselement (70) zusammenpassen, um so die Zwischenräume (60) zwischen benachbarten Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) konstant zu halten.
Gasturbinen-Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei einer oder mehrere der Zwischenräume (60) zwischen Außenumfängen der Düsenauslässe der Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (41; 40, 42) und einem Innenumfang eines Auslasses des Brennkammer-Innenzylinders (20) sowie die Zwischenräume zwischen den Außenumfängen der Düsenauslässe der Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (41; 40, 42) und einem Außenumfang eines Auslasses des Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme die gleichen Dimensionen aufweisen.
Gasturbinen-Brennkammer mit: einem Brennkammer-Innenzylinder (20), einem Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme, der innerhalb des Brennkammer-Innenzylinders (20) angeordnet ist, um durch Mischen von Pilotbrennstoff mit Luft verteilte Flammen zu bilden, mehreren Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) zum Bilden von Vorgemischflammen aus einem durch Mischen eines Hauptbrennstoffs mit der Luft gebildeten Vorgemischgas, wobei die Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) ringförmig zwischen dem Brennkammer-Innenzylinder (20) und dem Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme angeordnet sind und jeweils einen elliptischen Außenumfang aufweisen, und Dichtungselementen (70), die jeweils einen Winkel-Querschnitt haben, wobei die Dichtungselemente (70) in im allgemeinen dreieckigen Räumen (62) vorgesehen sind, die zwischen den Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) und dem Brennkammer-Innenzylinder (20) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungselemente (70), die jeweils einen Winkelquerschnitt aufweisen, auch in im allgemeinen dreieckigen Räumen (62) vorgesehen sind, die zwischen den Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) und dem Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme ausgebildet sind, und dass die Dichtungselemente Zwischenräume (60) von annähernd der gleichen Dimension jeweils zwischen Außenumfängen der Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) erzeugen.
Gasturbinen-Brennkammer mit: einem Brennkammer-Innenzylinder (20), einem Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme, der innerhalb des Brennkammer-Innenzylinders (20) angeordnet ist, um durch Mischen von Pilotbrennstoff mit Luft verteilte Flammen zu bilden, mehreren Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) zum Bilden von Vorgemischflammen aus einem durch Mischen eines Hauptbrennstoffs mit der Luft gebildeten Vorgemischgas, wobei die Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) ringförmig zwischen dem Brennkammer-Innenzylinder (20) und dem Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme angeordnet sind und jeweils einen elliptischen Außenumfang aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenseite des Brennkammer-Innenzylinders (20) in einer gewellten bzw. geriffelten Weise so ausgebildet ist, dass sie mit einer Außenform der Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) zusammenpasst, und so, dass ein Abstand bzw. Zwischenraum gleicher Dimension zwischen dem Brennkammer-Innenzylinder (20) und den Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) eingehalten wird, und eine Außenseite des Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme in gewellter bzw. geriffelter Weise ausgebildet ist, um mit der Außenform der Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) zusammenzupassen, und so, dass ein Zwischenraum gleicher Dimension zwischen dem Konus (30) zur Bildung einer verteilten Flamme und den Vorgemischflammen-Bildungsdüsen (40) eingehalten wird.