EP2587158A1 - Brennkammer für eine Gasturbine und Brenneranordnung - Google Patents

Brennkammer für eine Gasturbine und Brenneranordnung Download PDF

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EP2587158A1
EP2587158A1 EP11187285.9A EP11187285A EP2587158A1 EP 2587158 A1 EP2587158 A1 EP 2587158A1 EP 11187285 A EP11187285 A EP 11187285A EP 2587158 A1 EP2587158 A1 EP 2587158A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
fuel
combustion
stepped
premix passage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11187285.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Beck
Olga Deiss
Werner Dr. Krebs
Bernhard Wegner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP11187285.9A priority Critical patent/EP2587158A1/de
Priority to US14/355,467 priority patent/US20140260265A1/en
Priority to PCT/EP2012/070783 priority patent/WO2013064383A1/de
Priority to CN201280065621.7A priority patent/CN104024737B/zh
Priority to EP12780155.3A priority patent/EP2773907A1/de
Publication of EP2587158A1 publication Critical patent/EP2587158A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber for a gas turbine having at least one combustion zone and at least one burner arrangement for combustion of a fuel / air mixture, wherein the burner arrangement comprises at least one premix passage opening into the combustion zone for providing a fuel / air mixture, and into the premix passage from the burner assembly included air supply and at least one fuel supply opens.
  • the invention also relates to a gas turbine with such a combustion chamber and to a burner assembly.
  • Known gas turbines comprise, in addition to an initially mentioned combustion chamber, a compressor and a turbine.
  • the compressor compresses the gas supplied to the gas turbine, a portion of this air is used to burn fuel in the combustion chamber and a part is used to cool the gas turbine and / or the combustion gases.
  • the hot gases provided by the combustion process in the combustion chamber are introduced into the turbine from the combustion chamber, where they relax and cool, causing turbine blades to rotate under the action of work.
  • the gas turbine drives a work machine.
  • the work machine may be, for example, a generator.
  • the fuel / air mixture provided by the at least one burner assembly is premixed in the at least one premix passage to then be ignited after flowing into the combustion zone.
  • the premixing of the fuel with the air reduces the pollutant emissions produced during the combustion, in contrast to the previously customary direct injection of the fuel into the combustion zone.
  • a disadvantage of the premix of the fuel is much more susceptible to the formation of combustion chamber pressure fluctuations. If there are pressure fluctuations in the combustion zone, there are also concentration fluctuations in the fuel / air mixture in the premix passage, which lead to heat release fluctuations during combustion. These thermoacoustic instabilities in turn increase the combustion chamber pressure fluctuations, wherein there are preferred frequencies in the arrangement for these alsschaukelnden combustion chamber pressure fluctuations.
  • the concentration variations in the fuel / air mixture may also be referred to as air frequency fluctuations.
  • the air frequency fluctuations result from different acoustic resistances of the air supply and fuel supply.
  • known gas turbines comprise resonators arranged in the housing. Since the resonators are directly adjacent to the combustion zone and also interrupt a heat shield arrangement in the housing and therefore have to be cooled, such a design of the combustion chamber is expensive.
  • An alternative embodiment of a known combustion chamber provides for suppression of such combustion chamber pressure fluctuations that the fuel nozzles opening into the premix passage are distributed along the premix passage in the axial direction, so that mixing zones with different delay times are formed in the premix passage. This staged design of the fuel supply makes it possible to mitigate the fluctuations in concentration caused by the combustion chamber pressure fluctuation in the fuel injected by the fuel supply.
  • the fuel nozzles may also be referred to with outlet openings of the fuel supply.
  • the object of the invention is to provide a combustion chamber of the aforementioned type and a gas turbine with such a combustion chamber and a burner arrangement comprising such a combustion chamber, which enables a particularly effective damping of combustion chamber pressure fluctuations.
  • the object is achieved according to the invention in a combustion chamber of the type mentioned above in that the air supply is stepped, so that different delay times can be assigned to the outlet opening of the stepped air supply opening into the premix passage.
  • the stepped air supply comprises outlet openings which open into the premix passage and to which different delay times can be assigned.
  • the stepped air supply may further comprise further outlet openings, which redundant delay times can be assigned.
  • the delay time can also be referred to as convective time delay. It is determined by the time it takes for a fluid element entering the premix passage to travel to the combustion zone to get.
  • the outlet openings can also be referred to with outlet openings.
  • the burner assembly may include a pilot burner having a premix passage with a pilot burner lance centrally disposed therein, the pilot burner lance connected to a fuel supply and including fuel nozzles.
  • the premix passage of the pilot burner opens an air supply.
  • a plurality of main mixers included in the burner assembly can be arranged.
  • Each of the main mixers may comprise a premix passage comprised of a cylindrical housing, into which an air feed opens, and in which is axially arranged a fuel nozzle lance connected to a fuel supply.
  • the lance can be supported, for example via swirl blades on the housing.
  • at least one of the premix passages in the exemplified burner arrangement comprises a stepped air feed.
  • the air supply of the main mixer can be formed stepped by the swirl blades form in the premix passage opening air outlet openings, which different delay times can be assigned.
  • These can preferably be selected such that, at least in the frequency range of a preferred combustion chamber pressure fluctuation, density fluctuations in the supplied air caused by these are canceled or reduced by means of the different delay times of the air outlet openings.
  • An advantageous development of the invention can provide that in addition to the stepped air supply formed in the premix passage and can be acted upon with gaseous fuel supply also formed stepwise.
  • the gaseous fuel also has a high compressibility compared to air, can be through the additional grading of gaseous fuel acted upon fuel supply by combustion chamber pressure fluctuations caused fluctuations in the concentration and density of the flowing from the Vormischpassage into the combustion zone fuel / air mixture even more effectively attenuate.
  • the premix passage comprises more than one fuel feed which can be acted upon by gaseous fuel, one or more of these fuel feeds which can be acted upon by gaseous fuel can be designed in a stepped manner.
  • delay times can be assigned to the outlet openings of the stepped feed, wherein for a minimum delay time ⁇ min and a maximum delay time ⁇ max with respect to a suppressible combustion chamber pressure fluctuation of the frequency f: ⁇ max - ⁇ min > 1 / f.
  • the condition ensures that, at least in the frequency range of the combustion chamber pressure fluctuation to be suppressed, density fluctuations caused thereby in the fluid supplied by the stepped supply are effectively attenuated.
  • the stepped feeder is the stepped air supply. If further feeds leading into the premix passage are formed in a stepped manner, the condition can also apply to these feeds.
  • the minimum and maximum delay time specified in the condition refers to the shortest or the longest of the delay times associated with the outlet ports of a feeder.
  • outlet ports of the stepped supply opening into the premix passage are arranged such that density fluctuations caused by at least one preferred combustion chamber pressure fluctuation of the frequency f 'in the fluid supplied through the outlet openings in the premix passage due to the outlet openings assigned different delay times superimpose such that they essentially cancel each other out.
  • the burner arrangement is arranged in the region of a second axial stage with at least one premix passage opening into the combustion zone, the combustion zone following downstream of a first combustion zone with a first burner arrangement.
  • a second axial stage By means of a second axial stage, the heat release over the entire available combustion chamber can be further distributed, so that the tendency of the combustion system to thermoacoustic instabilities is further reduced.
  • a stepped air supply to at least one premix passage of the burner arrangement of the second axial stage is particularly easy to implement in terms of apparatus.
  • a preferred embodiment of the invention can provide that the burner arrangement comprises a fuel distributor ring disposed outside a combustion chamber housing and a multiplicity of premix passage, wherein the premix passages open into the combustion chamber with their one end into the combustion chamber and with at least one fuel feed branching off from the fuel distributor ring correspond, wherein at least along one of the Vormischpassagen outlet openings of a stepped air supply are arranged distributed.
  • the premixing passages may, for example, have a tubular design, wherein the situation of the air outlet openings along the premixing passages or the corresponding delay times relative thereto may be adaptable to the frequency of the combustion chamber pressure fluctuations to be suppressed.
  • the tubular Vormischpassage consist of an elastic material whose length - and thus also the corresponding to the outlet openings delay times - is adaptable to a frequency to be suppressed.
  • Another object of the invention is to provide a gas turbine with at least one combustion chamber mentioned above, which allows a particularly effective damping of combustion chamber pressure fluctuations.
  • the gas turbine on at least one combustion chamber, which is designed according to one of claims 1 to 6.
  • a further object of the invention is to specify a burner arrangement encompassed by the initially mentioned combustion chamber, which enables a particularly effective damping of combustion chamber pressure fluctuations.
  • the burner assembly is part of the combustion chamber according to one of claims 1 to 6.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a gas turbine 1 according to the prior art.
  • the gas turbine 1 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 2 rotor 3 with a shaft 4, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 6 a compressor 8
  • a combustion system 9 with a number of combustion chambers 10, each comprising a burner assembly 11 and a combustion chamber housing 12, a turbine 14 and an exhaust housing 15th
  • the combustion system 9 communicates with an annular hot gas duct, for example.
  • a plurality of successively connected turbine stages form the turbine 14.
  • Each turbine stage is formed of blade rings. Viewed in the flow direction of a working medium follows in the hot runner formed by a number 17 vanes row formed from blades 18 row.
  • the guide vanes 17 are fastened to an inner housing of a stator 19, whereas the moving blades 18 of a row are attached to the rotor 3, for example by means of a turbine disk.
  • Coupled to the rotor 3 is, for example, a generator (not shown).
  • the FIG. 2 shows a section of a combustion chamber 20 of a gas turbine according to an embodiment of the invention.
  • the combustion chamber 20 has a combustion chamber housing 21, which is rotationally symmetrical about an axis 22.
  • the combustion chamber housing 21 there is a first combustion zone 23 and a second combustion zone 24, the second combustion zone 24 downstream of the first combustion zone 23 with respect to a main flow direction 26.
  • the combustor 20 includes a first burner assembly (not shown) and a second burner assembly 28 for combusting a fuel / air mixture in the second combustion zone 24.
  • the second burner assembly 28 includes a premix passage 29 opening into the second combustion zone 24 for providing fuel / air A mixture, wherein in the Vormischpassage 29 an included from the second burner assembly 28 air supply 32 and a fuel supply 33 opens, the air supply 32 is stepped, so that the default in the Vormischpassage 29 outlet openings 34 of the stepped air supply 32 different delay times are assigned.
  • the second burner arrangement 28 is thus arranged in the region of a second axial step.
  • the second burner assembly 28 includes a fuel distributor ring 36 disposed outside the combustor casing 21 and a plurality of premix passages 29, the premix passages 29 having one end 37 opening into the combustor casing 21 into the second combustion zone 24 and one each from the fuel distributor ring 36 branching fuel supply 33 correspond, wherein along at least one of the Vormischpassagen 29 outlet openings 34 of a stepped air supply 32 are arranged distributed.
  • each of the Vormischpassagen 29 of the second burner assembly 28 have a stepped air supply 32.
  • the fuel injected into the premix passage 29 through the fuel supply 33 mixes with the air entering the premix passage 29 through the discharge ports 34, so that a fuel / air mixture flows in the flow direction 39 along the premix passage.
  • An air volume exiting an outlet opening 34 will mix with the fuel and will require a period of time from the position of the outlet opening 34 to enter the combustion zone 24. This period of time is referred to as the delay time and is determined by the time required for a fluid element entering the premix passage to reach the combustion zone.
  • the outlet openings 34 arranged along the premix passage 29 correspond with different delay times due to their different arrangement in the premix passage 29. Each of the outlet openings 34 in the premix passage 29 can thus be assigned different delay times.
  • FIG. 3 shows a detail view of in FIG. 2 illustrated inventive combustion chamber according to an embodiment in the region of the second burner assembly of a second axial stage. Shown is a portion of the combustor housing 21 which encloses a first combustion zone 23 (shown in part) and a second combustion zone 24 (shown in part) downstream thereof, wherein a premix passage 29 comprised by the second burner assembly provides a fuel / air mixture enters the second combustion zone 24.
  • the staged air supply 32 comprises outlet openings 34a, 34b, 34c which open into the premix passage 29 for the supply of air 40, the outlet openings 34a, 34b, 34c being different Delay times ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 , are assignable. For example, an air volume exiting from the outlet opening 34a will mix with the fuel 35 flowing past the fuel supply 33 and will require a period of time ⁇ 1 from the position of the outlet opening 34a to enter the second combustion zone 24.
  • the position of the outlet openings 34a, 34b and 34c may advantageously be selected such that ⁇ 1 - ⁇ 3 > 1 / f.
  • the density fluctuations of the air caused by the combustion chamber pressure fluctuation of the frequency f in the outlet openings can be superimposed upon ignition of the fuel / air mixture in the second combustion zone 24 due to the different delay times ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 in such a way that these density fluctuations occur essentially cancel each other out.
  • the arrangement of the outlet openings 34a, 34b, 34c along the premix passage 29 can be selected accordingly.
  • the combustion chamber pressure fluctuation of the frequency f may be a combustion chamber pressure fluctuation which can preferably be excited on account of the design of the combustion chamber. This may also be referred to as preferential combustion chamber pressure fluctuation.
  • a development of the illustrated embodiment may also provide that the fuel supply 33 is also formed stepped (not shown here).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer (10,20) für eine Gasturbine (1) mit mindestens einer Verbrennungszone (23,24) und mindestens einer Brenneranordnung (11,28) zur Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in der Verbrennungszone (23, 24), wobei die Brenneranordnung (11,28) mindestens eine in die Verbrennungszone (23, 24) mündende Vormischpassage (29) zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches umfasst, und in die Vormischpassage (29) eine von der Brenneranordnung (11, 28) umfasste Luftzuführung (32) und mindestens eine Brennstoffzuführung (33) einmündet. Die Brennkammer ermöglicht eine besonders effektive Dämpfung von Brennkammerdruckschwankungen. Hierzu ist die Luftzuführung (32) gestuft ausgebildet ist, so dass in die Vormischpassage (29) mündenden Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) der gestuften Luftzuführung unterschiedliche Verzugszeiten (Ä 1 , Ä 2 , Ä 3 ) zuordenbar sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für eine Gasturbine mit mindestens einer Verbrennungszone und mindestens einer Brenneranordnung zur Verbrennung eines Brennstoff/LuftGemisches, wobei die Brenneranordnung mindestens eine in die Verbrennungszone mündende Vormischpassage zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches umfasst, und in die Vormischpassage eine von der Brenneranordnung umfasste Luftzuführung und mindestens eine Brennstoffzuführung einmündet.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer und auf eine Brenneranordnung.
  • Bekannte Gasturbinen umfassen neben einer eingangs genannten Brennkammer einen Verdichter und eine Turbine. Der Verdichter verdichtet die der Gasturbine zugeführte Luft, wobei ein Teil dieser Luft der Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer dient und ein Teil zur Kühlung der Gasturbine und/oder der Verbrennungsgase verwendet wird. Die durch den Verbrennungsvorgang in der Brennkammer bereitgestellten heißen Gase werden aus der Brennkammer in die Turbine eingeleitet, wobei sie in dieser entspannen und abkühlen und hierbei unter Leistung von Arbeit Turbinenschaufeln in Rotation versetzen. Mittels dieser Rotationsenergie treibt die Gasturbine eine Arbeitsmaschine an. Bei der Arbeitsmaschine kann es sich beispielsweise um einen Generator handeln.
  • Das durch die mindestens eine Brenneranordnung bereitgestellte Brennstoff/Luft-Gemisch wird in der mindestens einen Vormischpassage vorgemischt, um dann nach dem Einströmen in die Verbrennungszone gezündet zu werden. Die Vormischung des Brennstoffs mit der Luft reduziert die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffemissionen im Gegensatz zu der früher üblichen direkten Eindüsung des Brennstoffs in die Verbrennungszone. Nachteilig an der Vormischung des Brennstoffs ist allerdings, dass diese Anordnung wesentlich anfälliger für die Ausbildung von Brennkammerdruckschwankungen ist. Kommt es zu Druckschwankungen in der Verbrennungszone, entstehen auch Konzentrationsschwankungen in dem Brennstoff/Luft-Gemisch in der Vormischpassage, welche bei der Verbrennung zu Wärmefreisetzungsfluktuationen führen. Diese thermoakustischen Instabilitäten wiederum verstärken die Brennkammerdruckschwankungen, wobei es in der Anordnung Vorzugsfrequenzen für diese sich aufschaukelnden Brennkammerdruckschwankungen gibt. Die Konzentrationsschwankungen im Brennstoff/Luft-Gemisch, also zeitliche Variationen im Luft-Brennstoff-Mischungsverhältniskönnen auch mit Luftzahlschwankungen bezeichnet werden. Die Luftzahlschwankungen resultieren aus unterschiedlichen akustischen Widerständen der Luftzuführung und Brennstoffzuführung. Zur Dämpfung der Brennkammerdruckschwankungen umfassen bekannte Gasturbinen im Gehäuse angeordnete Resonatoren. Da die Resonatoren unmittelbar an die Verbrennungszone angrenzen und zudem eine Hitzeschildanordnung in dem Gehäuse unterbrechen und deshalb gekühlt werden müssen, ist eine derartige Ausbildung der Brennkammer aufwendig. Eine alternative Ausbildung einer bekannten Brennkammer sieht zur Unterdrückung derartiger Brennkammerdruckschwankungen vor, dass die in die Vormischpassage einmündenden Brennstoffdüsen entlang der Vormischpassage in axialer Richtung verteilt angeordnet sind, so dass sich Mischzonen mit unterschiedlichen Verzugszeiten in der Vormischpassage ausbilden. Diese gestufte Ausführung der Brennstoffzuführung ermöglicht es, die durch die Brennkammerdruckschwankung hervorgerufenen Konzentrationsschwankungen in dem durch die Brennstoffzuführung eingedüsten Brennstoffs abzumildern. Die Brennstoffdüsen können auch mit Auslassöffnungen der Brennstoffzuführung bezeichnet werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer der eingangs genannten Art und eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer sowie eine von einer solchen Brennkammer umfasste Brenneranordnung anzugeben, welche eine besonders effektive Dämpfung von Brennkammerdruckschwankungen ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Luftzuführung gestuft ausgebildet ist, so dass in die Vormischpassage mündenden Auslassöffnungen der gestuften Luftzuführung unterschiedliche Verzugszeiten zuordenbar sind.
  • Durch die bekannte Brennstoffzuführung mit entlang der Vormischpassage in axialer Richtung verteilt angeordneten Brennstoffdüsen lassen sich zwar durch Brennkammerdruckschwankungen hervorgerufene Schwankungen in der Brennstoffmenge ausgleichen, die dem Luftstrom entlang der Vormischpassage beigemischt wird. Diese bekannte Stufung vermag aber nicht aufgrund der unterschiedlichen akustischen Widerstände der Luft und des Brennstoffs den Brennstoff so in den Luftstrom einzudüsen, dass ein konstantes Verhältnis von Brennstoff und Luft sowie eine konstante Brennstoffmenge pro Zeit aus der Vormischpassage aus- und in die Verbrennungszone eintritt. Erfindungsgemäß wird deshalb zur Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen und damit auch von Wärmefreisetzungsfluktuationen vorgeschlagen, die in die Vormischpassage einmündende Luftzuführung gestuft auszubilden und somit die durch Brennkammerdruckschwankungen hervorgerufenen Dichteschwankungen im die Vormischpassage passierenden Luftstrom abzumildern. Aufgrund der hohen Kompressibilität der Luft im Vergleich zu beispielsweise flüssigem Brennstoff und dem geringeren Druck in der Luftzufuhrleitung im Vergleich zu dem Druck in der Brennstoffzufuhrleitung ist dies zur Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen besonders effektiv.
  • Erfindungsgemäß umfasst die gestufte Luftzuführung in die Vormischpassage mündende Auslassöffnungen, denen unterschiedliche Verzugszeiten zuordenbar sind. Die gestufte Luftzuführung kann darüber hinaus weitere Auslassöffnungen umfassen, denen redundante Verzugszeiten zuordenbar sind. Die Verzugszeit kann auch mit konvektiver Zeitverzug bezeichnet werden. Sie bestimmt sich aus der Zeit, die ein in die Vormischpassage eintretendes Fluidelement benötigt, um zur Verbrennungszone zu gelangen. Die Auslassöffnungen können auch mit Austrittsöffnungen bezeichnet werden.
  • Die Brenneranordnung kann beispielsweise einen Pilotbrenner mit einer Vormischpassage mit zentral in dieser angeordneten Pilotbrennerlanze umfassen, wobei die Pilotbrennerlanze mit einer Brennstoffzufuhr verbunden ist und Brennstoffdüsen umfasst. In die Vormischpassage des Pilotbrenners mündet eine Luftzuführung. Um den Pilotbrenner herum kann eine von der Brenneranordnung umfasste Vielzahl an Hauptmischern angeordnet sein. Jeder der Hauptmischer kann eine von einem zylinderförmigen Gehäuse umfasste Vormischpassage aufweisen, in welche eine Luftzuführung einmündet und in welcher axial eine mit einer Brennstoffzufuhr verbundene Lanze mit Brennstoffdüsen angeordnet ist. Die Lanze kann beispielsweise über Drallschaufeln an dem Gehäuse abgestützt sein. Erfindungsgemäß umfasst bei der beispielhaft angegebenen Brenneranordnung mindestens eine der Vormischpassagen eine gestufte Luftzuführung. Beispielsweise kann jeweils die Luftzuführung der Hauptmischer gestuft ausgebildet sein, indem die Drallschaufeln in die Vormischpassage einmündende Luftauslassöffnungen ausbilden, denen unterschiedliche Verzugszeiten zuordenbar sind. Diese können vorzugsweise so gewählt sein, dass sich zumindest im Frequenzbereich einer Vorzugs-Brennkammerdruckschwankung durch diese hervorgerufene Dichteschwankungen in der zugeführten Luft mittels der unterschiedlichen Verzugszeiten der Luftauslassöffnungen gegenseitig aufheben bzw. abschwächen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass zusätzlich zu der gestuft ausgebildeten Luftzuführung eine in die Vormischpassage einmündende und mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbare Brennstoffzuführung ebenfalls gestuft ausgebildet ist.
  • Da der gasförmige Brennstoff im Vergleich zu Luft ebenfalls eine hohe Kompressibilität aufweist, lassen sich durch die zusätzliche Stufung der mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbaren Brennstoffzuführung durch Brennkammerdruckschwankungen hervorgerufene Schwankungen in Konzentration und Dichte des aus der Vormischpassage in die Verbrennungszone strömenden Brennstoff/Luft-Gemisches noch effektiver dämpfen. Sofern die Vormischpassage mehr als eine mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbare Brennstoffzuführungen umfasst, kann eine oder mehrere dieser mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbaren Brennstoffzuführungen gestuft ausgebildet sein.
  • Vorteilhafter Weise kann weiter vorgesehen sein, dass den Auslassöffnungen der gestuften Zuführung Verzugszeiten zuordenbar sind, wobei für eine minimale Verzugszeit τmin und eine maximale Verzugszeit τmax in Bezug auf eine zu unterdrückende Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f gilt: τmax -τmin > 1/f.
  • Durch die Bedingung ist gewährleistet, dass zumindest im Frequenzbereich der zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung durch diese hervorgerufene Dichteschwankungen in dem durch die gestufte Zuführung zugeführten Fluid effektiv abgeschwächt werden. Bei der gestuften Zuführung handelt es sich um die gestufte Luftzuführung. Sofern noch weiterer in die Vormischpassage einmündende Zuführungen gestuft ausgebildet sind, kann die Bedingung auch für diese Zuführungen gelten. Die in der Bedingung angegebene minimale und maximale Verzugszeit bezieht sich auf die kürzeste bzw. die längste der Verzugszeiten, die den Auslassöffnungen einer Zuführung zugeordnet sind.
  • Es kann auch als vorteilhaft betrachtet werden, dass die in die Vormischpassage einmündenden Auslassöffnungen der gestuften Zuführung derart angeordnet sind, dass durch mindestens eine Vorzugs-Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f' hervorgerufene Dichteschwankungen in dem durch die Auslassöffnungen zugeführten Fluid sich in der Vormischpassage aufgrund der den Auslassöffnungen zugeordneten unterschiedlichen Verzugszeiten derart überlagern, dass diese sich im Wesentlichen gegenseitig aufheben.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Brenneranordnung im Bereich einer zweiten axialen Stufe angeordnet ist mit mindestens einer in die Verbrennungszone einmündenden Vormischpassage, wobei die Verbrennungszone stromab auf eine erste Verbrennungszone mit einer ersten Brenneranordnung folgt.
  • Mittels einer zweiten axialen Stufe kann die Wärmefreisetzung über den gesamten zur Verfügung stehenden Brennraum weiter verteilt werden, so dass die Neigung des Verbrennungssystems zu thermoakustischen Instabilitäten weiter verringert ist. Zudem ist eine gestufte Luftzuführung zu mindestens einer Vormischpassage der Brenneranordnung der zweiten axialen Stufe apparativ besonders einfach zu realisieren.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Brenneranordnung einen außen um ein Brennkammergehäuse herum angeordneten Brennstoffverteilerring und eine Vielzahl an Vormischpassage umfasst, wobei die Vormischpassagen mit ihrem einen Ende in das Brennkammergehäuse hinein in die Verbrennungszone münden und mit mindestens einer von dem Brennstoffverteilerring abzweigenden Brennstoffzuführung korrespondieren, wobei mindestens entlang einer der Vormischpassagen Auslassöffnungen einer gestuften Luftzuführung verteilt angeordnet sind.
  • Diese gestufte Luftzuführung zu mindestens einer Vormischpassage der Brenneranordnung der zweiten axialen Stufe ist apparativ besonders einfach zu realisieren. Die Vormischpassagen können beispielsweise schlauchförmig ausgebildet sein, wobei ganz allgemein für die vorliegende Erfindung gilt, dass die Lage der Luftauslassöffnungen entlang der Vormischpassagen bzw. die korrespondierenden Verzugszeiten zu diesen an die Frequenz der zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankungen anpassbar sein können. Beispielsweise kann die schlauchförmige Vormischpassage aus einem elastischen Material bestehen, dessen Länge - und damit auch die zu den Auslassöffnungen korrespondierenden Verzugszeiten - an eine zu unterdrückende Frequenz anpassbar ist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine mit mindestens einer eingangs genannten Brennkammer anzugeben, welche eine besonders effektive Dämpfung von Brennkammerdruckschwankungen ermöglicht.
  • Hierzu weist die Gasturbine mindestens eine Brennkammer auf, welche nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine von der eingangs genannten Brennkammer umfasste Brenneranordnung anzugeben, welche eine besonders effektive Dämpfung von Brennkammerdruckschwankungen ermöglicht.
  • Hierzu ist die Brenneranordnung Bestandteil der Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
  • Dabei zeigt die
    • Fig.1
    eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine nach dem Stand der Technik,
    Fig.2
    einen Ausschnitt einer Brennkammer mit zweiter axialer Stufe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht, und
    Fig.3
    eine Detailansicht des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels im Bereich der gestuften Luftzuführung in einer schematischen Schnittansicht.
  • Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine 1 nach dem Stand der Technik. Die Gasturbine 1 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle 4 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 6, ein Verdichter 8, ein Verbrennungssystem 9 mit einer Anzahl an Brennkammern 10, die jeweils eine Brenneranordnung 11 und ein Brennkammergehäuses 12 umfassen, eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse 15.
  • Das Verbrennungssystem 9 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 14. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 17 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 18 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 17 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 19 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 18 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 8 durch das Ansauggehäuse 6 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 8 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungssystem 9 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung 11 mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Brenneranordnung 11 unter Bildung eines Arbeitsgasstromes im Verbrennungssystem 9 verbrannt. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 17 und den Laufschaufeln 18 vorbei. An den Laufschaufeln 18 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 18 den Rotor 3 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt).
  • Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer Brennkammer 20 einer Gasturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Brennkammer 20 weist ein Brennkammergehäuse 21 auf, welches rotationssymmetrisch um eine Achse 22 ausgebildet ist. In dem Brennkammergehäuse 21 befindet sich eine erste Verbrennungszone 23 und eine zweite Verbrennungszone 24, wobei die zweite Verbrennungszone 24 stromab - in Bezug auf eine Hauptströmungsrichtung 26 - auf die erste Verbrennungszone 23 folgt. Die Brennkammer 20 umfasst eine erste Brenneranordnung (nicht dargestellt) und eine zweite Brenneranordnung 28 zur Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in der zweiten Verbrennungszone 24. Die zweite Brenneranordnung 28 umfasst eine in die zweite Verbrennungszone 24 mündende Vormischpassage 29 zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, wobei in die Vormischpassage 29 eine von der zweiten Brenneranordnung 28 umfasste Luftzuführung 32 und eine Brennstoffzuführung 33 einmündet, wobei die Luftzuführung 32 gestuft ausgebildet ist, so dass den in die Vormischpassage 29 mündenden Auslassöffnungen 34 der gestuften Luftzuführung 32 unterschiedliche Verzugszeiten zuordenbar sind.
  • Die zweite Brenneranordnung 28 ist somit im Bereich einer zweiten axialen Stufe angeordnet. Die zweite Brenneranordnung 28 umfasst einen außen um das Brennkammergehäuse 21 herum angeordneten Brennstoffverteilerring 36 und eine Vielzahl an Vormischpassagen 29, wobei die Vormischpassagen 29 mit ihrem einen Ende 37 in das Brennkammergehäuse 21 hinein in die zweite Verbrennungszone 24 münden und jeweils mit einer von dem Brennstoffverteilerring 36 abzweigenden Brennstoffzuführung 33 korrespondieren, wobei entlang mindestens einer der Vormischpassagen 29 Auslassöffnungen 34 einer gestuften Luftzuführung 32 verteilt angeordnet sind.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung kann jede der Vormischpassagen 29 der zweiten Brenneranordnung 28 eine gestufte Luftzuführung 32 aufweisen.
  • Der durch die Brennstoffzuführung 33 in die Vormischpassage 29 eingedüste Brennstoff vermischt sich mit der durch die Auslassöffnungen 34 in die Vormischpassage 29 eintretenden Luft, so dass ein Brennstoff/Luft-Gemisch in Strömungsrichtung 39 entlang der Vormischpassage strömt. Ein aus einer Auslassöffnung 34 austretendes Luftvolumen wird sich mit dem Brennstoff vermischen und hierbei ausgehend von der Lage der Auslassöffnung 34 eine Zeitdauer benötigen, um in die Verbrennungszone 24 zu gelangen. Diese Zeitdauer wird mit Verzugszeit bezeichnet und bestimmt sich aus der Zeit, die ein in die Vormischpassage eintretendes Fluidelement benötigt, um zur Verbrennungszone zu gelangen. Die entlang der Vormischpassage 29 angeordneten Auslassöffnungen 34 korrespondieren aufgrund ihrer unterschiedlichen Anordnung in der Vormischpassage 29 mit unterschiedlichen Verzugszeiten. Jeder der Auslassöffnungen 34 in der Vormischpassage 29 sind somit unterschiedliche Verzugszeiten zuordenbar.
  • Die Figur 3 zeigt eine Detailansicht der in Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen Brennkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel im Bereich der zweiten Brenneranordnung einer zweiten axialen Stufe. Dargestellt ist ein Abschnitt des Brennkammergehäuses 21, welches eine erste Verbrennungszone 23 (teilweise dargestellt) und eine sich an diese stromabwärts anschließende zweite Verbrennungszone 24 (teilweise dargestellt) umschließt, wobei eine von der zweiten Brenneranordnung umfasste Vormischpassage 29 zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in die zweite Verbrennungszone 24 einmündet. In die schlauchförmig ausgebildete Vormischpassage 29 mündet eine Brennstoffzuführung 33 zur Eindüsung von Brennstoff 35 in die Vormischpassage 29 und eine Luftzuführung 32, welche gestuft ausgebildet ist. Die gestuft ausgebildete Luftzuführung 32 umfasst in die Vormischpassage 29 mündenden Auslassöffnungen 34a, 34b, 34c zur Zuführung von Luft 40, wobei den Auslassöffnungen 34a, 34b, 34c unterschiedliche Verzugszeiten τ1, τ2, τ3, zuordenbar sind. Beispielsweise wird ein aus der Auslassöffnung 34a austretendes Luftvolumen sich mit dem durch die Brennstoffzuführung 33 eingedüsten vorbeiströmenden Brennstoff 35 vermischen und hierbei ausgehend von der Lage der Auslassöffnung 34a eine Zeitdauer τ1 benötigen, um in die zweie Verbrennungszone 24 zu gelangen. Zur Dämpfung bzw. Unterdrückung einer Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f kann die Lage der Auslassöffnungen 34a, 34b und 34c vorteilhafter Weise derart gewählt sein, dass τ1 -τ3 > 1/f. Die durch die Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f in den Auslassöffnungen hervorgerufenen Dichteschwankungen der Luft können sich bei der Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches in der zweiten Verbrennungszone 24 aufgrund der unterschiedlichen Verzugszeiten τ1, τ2, τ3, derart überlagern, dass diese Dichteschwankungen sich im Wesentlichen gegenseitig aufheben. Hierzu kann die Anordnung der Auslassöffnungen 34a, 34b, 34c entlang der Vormischpassage 29 entsprechend gewählt werden. Bei der Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f kann es sich um eine aufgrund der Ausgestaltung der Brennkammer bevorzugt anregbare Brennkammerdruckschwankung handeln. Diese kann auch mit Vorzugs-Brennkammerdruckschwankung bezeichnet werden. Eine Weiterbildung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann auch vorsehen, dass die Brennstoffzuführung 33 ebenfalls gestuft ausgebildet ist (hier nicht dargestellt).

Claims (8)

  1. Brennkammer (10,20) für eine Gasturbine (1) mit
    - mindestens einer Verbrennungszone (23,24) und
    - mindestens einer Brenneranordnung (11,28) zur Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in der Verbrennungszone (23, 24),
    - wobei die Brenneranordnung (11,28) mindestens eine in die Verbrennungszone (23, 24) mündende Vormischpassage (29) zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches umfasst, und in die Vormischpassage (29) eine von der Brenneranordnung (11, 28) umfasste Luftzuführung (32) und mindestens eine Brennstoffzuführung (33) einmündet, ,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführung (32) gestuft ausgebildet ist, so dass in die Vormischpassage (29) mündenden Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) der gestuften Luftzuführung unterschiedliche Verzugszeiten (τ1, τ2, τ3) zuordenbar sind.
  2. Brennkammer (10,20) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet , dass zusätzlich zu der gestuft ausgebildeten Luftzuführung (32) eine in die Vormischpassage (29) einmündende und mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbare Brennstoffzuführung ebenfalls gestuft ausgebildet ist.
  3. Brennkammer (10, 20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) der gestuften Zuführung (32) Verzugszeiten (τ1, τ2, τ3) zuordenbar sind, wobei für eine minimale Verzugszeit τmin und eine maximale Verzugszeit τmax in Bezug auf eine zu unterdrückende Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f gilt: τmax - τmin > 1/f.
  4. Brennkammer (10,20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die in die Vormischpassage (29) einmündenden Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) der gestuften Zuführung (32) derart angeordnet sind, dass durch mindestens eine Vorzugs-Brennkammerdruckschwankung der Frequenz f' hervorgerufene Dichteschwankungen in dem durch die Auslassöffnungen (34a, 34b, 34c) zugeführten Fluid sich in der Vormischpassage (29) aufgrund der den Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) zugeordneten unterschiedlichen Verzugszeiten (τ1, τ2, τ3) derart überlagern, dass diese sich im Wesentlichen gegenseitig aufheben.
  5. Brennkammer (10, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brenneranordnung (28) im Bereich einer zweiten axialen Stufe angeordnet ist mit mindestens einer in die Verbrennungszone (24) einmündenden Vormischpassage (29), wobei die Verbrennungszone (24) stromab auf eine erste Verbrennungszone (23) mit einer ersten Brenneranordnung (11) folgt.
  6. Brennkammer (10, 20) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brenneranordnung (28) einen außen um ein Brennkammergehäuse (12, 21) herum angeordneten Brennstoffverteilerring (36) und eine Vielzahl an Vormischpassage (29) umfasst, wobei die Vormischpassagen (29) mit ihrem einen Ende in das Brennkammergehäuse (12, 21) hinein in die Verbrennungszone (24) münden und mit mindestens einer von dem Brennstoffverteilerring (36) abzweigenden Brennstoffzuführung (33) korrespondieren, wobei mindestens entlang einer der Vormischpassagen (29) Auslassöffnungen (34, 34a, 34b, 34c) einer gestuften Luftzuführung (32) verteilt angeordnet sind.
  7. Gasturbine (1) mit mindestens einer Brennkammer (10, 20), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Brennkammer (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
  8. Brenneranordnung (28) für eine Gasturbine (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil der Brennkammer (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.
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