SE523082C2 - Anordning vid en brännkammare hos en gasturbin för reglering av inflöde av gas till brännkammarens förbränningszon - Google Patents

Description

20 25 30 i 523 082 2 För att kunna åstadkomma förbränning med låga emissioner vill man kunna styra temperaturen i brännkammarens primärzon så att den ligger inom ett visst intervall. Detta uppnås genom att man med olika typer av reglerarrangemang styr luftflödet mellan att tillföras primärzonen och/eller utspädningszonen.

I US 4,944,l49 beskrivs en anordning vid en brännkammare för reglering av till brännkammarens syfte att luftintaget utspädningszon i reducera NOx-emissioner.

Anordningen innefattar en roterbart anordnad ring som sträcker sig kring brännkammaren vid dess avsedda utspädningszon. Ringen har ett flertal genomgående öppningar och brännkammarväggen uppvisar motsvarande utformade öppningar. Genom att bringa ringens öppningar över brännkammarväggens öppningar bildas kanaler för luften från brännkammarens utsida till dess inre. En temperaturgivare är anordnad för styrning av ringens rotation. På grund av den mycket höga temperaturen kring brännkammaren blir belastningen stor på de i anordningen ingående delarna, vilket leder till en relativt kort livslängd för anordningen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är åstadkomma en anordning för reglering av inflöde av luft till en brännkammare hos en gasturbin som skapar förutsättningar för en i förhållande till tidigare teknik högre driftsäkerhet.

Vidare åsyftas en anordning med en förhöjd livslängd.

Detta syfte uppnås genom att lagringsmedlet är lagrat i en struktur bakom brännkammaren. Tack vare en sådan konstruktion kan reglerorganet lagras i en förhållandevis kall del av gasturbinen. 10 15 20 25 30 523 Û 8 2 Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen bildar strukturen, i vilken lagringsmedlet är lagrat, del av brännkammarlocket. Brännkammarlocket har, vid drift av gasturbinen, en väsentligt lägre temperatur än brännkammarens, eller flamrörets, vägg. Flamrörsväggens temperatur är vanligtvis 5-10 gånger högre än brännkammarlockets temperatur.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är lagringsmedlet lagrat i nämnda struktur åtminstone väsentligen koncentriskt relativt brännkammarens centrumlinje. Härigenom skapas förutsättningar för en enkel och driftsäker styrning av reglerorganet.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är lagringsmedlet lagrat i nämnda struktur i radiell riktning utanför en pilotspridare till brännkammaren.

Pilotspridaren är vanligtvis anordnad så att den sträcker sig från brännkammarlocket och framåt, in i brännkammaren, utmed en centrumlinje genom brännkammaren. Pilotspridaren är* alltså anordnad i. en brännkammarlocket i brännkammarens öppning centrumlinjes förlängning genom lämplig för mottagande av lagringsmedlet.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen uppvisar det första täckmedlet åtminstone en urtagning som sträcker sig åtminstone väsentligen i radiell riktning genom dess vägg. Detta skapar förutsättningar för en enkel och driftsäker reglerkonstruktion.

Företrädesvis är nämnda urtagning hos täckmedlet inrättad för att tillsammans med nämnda första inlopp till brännkammaren bilda en genomgående kanal för gasen f523 082 . . - ; . | - . 4 . - . .- 4 från en position utanför brännkammaren till brännkammarens inre.

Enligt en ytterligare utföringsform, som är en 5 vidareutveckling av föregående utföringsform, innefattar det första täckmedlet åtminstone två uppsättningar av nämnda urtagningar, och en första av nämnda uppsättningar urtagningar är anordnad på ett avstånd i brännkammarens längdriktning relativt den andra 10 uppsättningen urtagningar. Härigenom skapas förutsättningar för en reglering av luftintaget till två uppsättningar av så kallade swirlar hos brännkammaren, vilka är anordnade på inbördes avstånd i brännkammarens längdriktning. Dessa swirlar är en typ av virvelbildare 15 för luften och bildas av ett flertal snedställda vingar.

Ytterligare föredragna utföringsformer av uppfinningen samt fördelar' med dessa framgår av den efterföljande beskrivningen samt patentkraven. 20 KORT BESKRIVNING AV FIGURER Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande, med hänvisning till de utföranden som visas på de bifogade ritningarna, varvid 25 FIG 1 visar en delvis skuren sidovy av' gasturbinens brännkammare med reglerorganet enligt ett första šu_: utförande, å FIG 2 visar en förstorad sidovy av lagringen av 'ïj reglerorganet vid brännkammarlocket, Qšf 30 FIG 3 visar en perspektivvy av reglerorganet, ff: FIG 4 visar en ytterligare sidovy av reglerorganet och speciellt reglermekanismen, och f°; FIG 5 visar schematiskt ett andra utförande av -p~ reglerorganet. 10 15 20 25 30 e523 082 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I Fig 1 visas en delvis skuren sidovy av en brännkammare kallad lågemissionsbrännkammare. Brännkammaren l innefattar en l. Brännkammaren l utgörs av en så pilotspridare 2 som är anordnad centralt, samt ett flertal, kring pilotspridaren 2. Brännkammarens l inre avgränsas exempelvis fem, huvudspridare 3 anordnade av ett brännkammarlock 4, ett flamrör 5 och ett mellan brännkammarlocket 4 och flamröret 5 anordnat parti 6 för inträde av luft till brännkammarens 1 inre.

Pilotspridaren 2 och huvudspridarna 13 är anordnade i brännkammarlocket 4 och mynnar i brännkammarens l inre.

I luftinträdespartiet 6 är tre så kallade swirlar 7-9 anordnade. Dessa swirlar 7-9 är en typ av virvelbildare för den inkommande luften och bildas av ett flertal snedställda vingar anordnade i ringform. Swirlarna 7-9 är avsedda att tvinga den inkommande luften att rotera, vilket gör att den vid inträde j. brännkammarens inre radiellt utåt. De återcirkulerar därmed mot centrum och ansvarar för en kastas varma förbränningsgaserna kontinuerlig återtändning av bränslet. Luftinträdes- partiet 6 innefattar närmare bestämt en primärswirl 7, tertiär swirl 9. en sekundär swirl 8 och en Primärswirlen 7 är anordnad centralt för styrning av luften till, eller kring, pilotspridaren 2.

Sekundärswirlen 8 är anordnad kring huvudspridarna 3 för styrning av luften till, eller kring, dessa.

Tertiärswirlen 9 är anordnad framför sekundärswirlen 8 i brännkammarens l längdriktning.

Bränslet som avses utnyttjas är i flytande form. Låga emissioner kan uppnås då bränslet förbränns i gasform 10 15 20 25 30 1 523 082 6 emedan högre emissioner uppkommer då bränslet förbränns i droppform. Emissionerna utgörs exempelvis av CO, N0x och oförbränt HC.

Huvudspridarna 3 utnyttjas vid normaldrift och är utformade för förbränningen av bränslet i föràngad form. Pilotspridaren 2 är anordnad för att värma upp brännkammaren l vid uppstart av en kall motor så att man därefter skall kunna åstadkomma en arbetslåga med Bränslet från huvudspridarna 3. pilotspridaren 2 förbränns däremot i vätskeform, i form av droppar.

Brännkammarens l förbränningszon delas vanligtvis upp i primärzon 10 och utspädningszon ll i riktning från bränslespridarna.

Utanför brännkammaren l samt samverkande med inloppen till nämnda swirlar 7-9 är ett reglerorgan 12, se även figur 3, anordnat i syfte att styra temperaturen i närmare att inre. att brännkammarens bestämt Reglerorganet l2 är styra luftflödet och/eller inrättat mellan tillföras primärzonen utspädningszonen.

Luften strömmar i ett utrymme 36, eller en kanal, som är belägen i radiell riktning utanför brännkammaren 1.

Med hjälp av reglerorganet 12 kan luften styras till inloppen till swirlarna 7-9 och/eller till ett antal utspädningshàl 33 nedströms.

Reglerorganet 12 innefattar ett första medel 13 för täckning av åtminstone ett första inlopp till förbränningszonen, se även figur 3. Det första täckmedlet 13 har formen av en ring, eller hylsa, som sträcker sig kring de första inloppen till sekundär- och tertiärswirlen 8,9. Ringen 13 är försedd med två ouuoa 10 15 20 25 30 u u uuu u u uu u c u uu uu u u u u u u u u u u uu -u uu u u u u u u _ u u u u u u u u u u u u u u u uuu uuu u u u u u u u u u u u u u u uu u u u u u u u u u u u u u. .uu uuu uuu uuuu u... 7 14,15. uppsättningarna 14,15 innefattar ett flertal urtagningar uppsättningar urtagningar Var och en av i form av genomgående öppningar, vilka är anordnade med inbördes avstånd i ringens omkretsled. En första uppsättning urtagningar 14 är anordnade på ett avstånd i ringens axiella riktning från den andra uppsättningen urtagningar 15. Reglerorganet 12 är inrättat att inställas i två ändlägen svarande mot helt stängda inlopp och helt öppna inlopp, samt steglöst i lägen mellan ändlägena för partiell stängning av inloppen.

Reglerorganet 12 innefattar vidare ett med ringen 13 förbundet medel 16 för lagring av reglerorganet, se även och 3. tvärsnittsform och närmare bestämt formen av ett rör, figur 2 Lagringsmedlet 16 har cirkulär Det cirkulärformiga lagringsmedlets 16 första täckmedlets 13 eller en hylsa. centrumlinje och det ringformiga, Lagringsmedlet 16 är vidare relativt det centrumlinje överensstämmer. axiell 13. lagringsmedlets 16 har en mindre ytterdiameter än det riktning Det anordnat förskjutet i första täckmedlet cirkulärformiga första täckmedlet 13 och de är inbördes 17. sträcker sig i plan vinkelrätt mot reglerorganets 12 ringformiga, förbundna via en ekerstruktur Ekerstrukturen 17 centrumlinje. Luften till primärswirlen 7 avses flöda in genom öppningarna mellan ekerstrukturens ekrar.

Reglerorganet 12 innefattar vidare ett ringformigt parti se även figur 3. radiell Det ringformiga partiet 18 18 med en mindre diameter än ringen 13, Det ringformiga partiet 18 är anordnat i riktning innanför ringen 13. är försett med en tredje uppsättning urtagningar 19 och är avsett för reglering av inloppen till primärswirlen 7. 10 15 20 25 30 åszs 082 Lagringsmedlet 16 är lagrat i brännkammarlocket 4 som är anordnat bakom brännkammarens l förbränningszon, se figur 2. Detta innebär att lagringsmedlet är lagrat i en I ett normalt till l50° i relativt sett kall del av gasturbinen. driftsläge kan temperaturen uppgå brännkammarlocket och till 800° i brännkammarväggen vid 7-9. radiell Reglerorganets 12 lagringsmedel 16 sträcker sig kring swirlarna Reglerorganet 12 är närmare bestämt lagrat i riktning utanför pilotspridaren 2. pilotspridaren 2 och är lagrat mot brännkammarlocket 4 med sin i radiell riktning yttre yta 20. Lagringen utgörs av glid- eller rullningslager 21. Med andra ord mellan lagringsmedlet 16 och föreligger en spalt pilotspridaren 2.

Brännkammarlocket 4 innefattar ett parti 22 av isolerande material. Tack vare att isoleringspartiet 22 är anordnat mellan lagringen 21 och bränslespridarnas 2, 3 mynningar så är området för lagringen relativt kallt.

Swirlarna 7-9 är fastgjorda vid brännkammarlocket via ett fastgöringsorgan 23 i form av en skruv, se figur 1.

Tack vare att reglerorganet 12 och swirlarna 7-9 är förbundna med, samma struktur lagrade i, respektive (brännkammarlocket) kan de centreras till varandra med hög noggranhet och eventuella värmeutvidgningsproblem kan minimeras. Detta ökar möjligheterna för en reglering med hög noggranhet.

En reglermekanism 24 visas i figur 4. Reglermekanismen 24 innefattar en första vridbart anordnad arm 25, som sträcker sig genom brännkammarlocket 4. En andra arm 26 är fast förbunden med den första armen 25 vid en inre 10 15 20 25 30 523 082 9 ände av denna och sträcker sig vinkelrätt från denna.

Den andra armen 26 uppvisar en tapp 27 vid sin fria Denna tapp 27 är anordnad i ett spår 28, ände. se även figur 3, i reglerorganet 12 och närmare bestämt i ekerstrukturen 17. ett ställdon 29, Reglermekanismen innefattar vidare som är kopplat till den första armen 25 på en bakre sida av' brännkammarlocket 4 relativt brännkammaren 1. Ställdonet 29 är inrättat för vridning av armen 25 och därmed vrids även reglerorganet 12. uppnås ett Ställdonet 29 utgörs i detta fall av en Alternativt kan vridfunktionen även via länksystem. elmotor, men kan även utgöras av ett hydrauliskt eller pneumatiskt ställdon.

I figur 5 visas ett andra utförande av reglerorganet 12', Reglerorganet 12' vilket är en variant av det första utförandet. enligt det andra utförandet skiljer sig från reglerorganet 12 enligt det första utförandet genom att reglerorganet 12' innefattar ett ytterligare, andra täckmedel 30 i form av en ring eller hylsa, se streckade markeringar. Det andra täckmedlet 30 är anordnat kring brännkammarens 1 flamrör 5 på ett avstånd i brännkammarens 1 längdriktning från det första täckmedlet 13 och närmare bestämt vid brännkammarens utspädningszon 11.

Det ringformiga täckmedlet 30 uppvisar en uppsättning genomgående öppningar 32, vilka är anordnade på inbördes avstånd i ringens omkretsled och avsedda att samverka med ett antal andra inlopp 33 till brännkammaren i form av så kallade utspädningshål.

Ringen 30 är förbundet med ringen 13 via åtminstone en länk 31. Var och en av ringarna 13,30 har åtminstone 10 15 20 25 30 o o oou o o oo o u o oo 1 v o o o o o o o oo .o o. v. o o o o o o o o o o o _ ooo .oo oo o o o n o o o o. o o .o o o o o o o o o o oo o-o .oo o-o 10 35, Dessa förlängningspartier 34,35 är inbördes ett förlängningsparti 34, vilka sträcker sig nwt varandra. förbundna via länken 31.

Det andra utförandet av reglerorganet är framför allt fördelaktigt om man vill omfördela luften mellan primär- och utspädningszon med liten ändring i det totala tryckfallet. Öppningarna i ringarna 13,30 är förskjutna relativt sina motsvarande inlopp på sådant sätt att när reglering sker friläggs swirlinloppen till swirlarna 7-9 samtidigt som utspädningshålen 33 täckes för, och vice versa. Genom att ringen 30 är förbunden med länken 31 till ringen 13 kan vidare flamrörets 5 nedre del tillåtas röra sig något ur centrum utan att delarna klämmer mot varandra.

Uppfinningen skall inte anses vara begränsad till de ovan beskrivna utföringsexemplen, utan en rad ytter- ligare varianter och nwdifikationer är tänkbara inom ramen för efterföljande patentkrav.

Det beskrivna lagringsmedlet 16 och det första täckmedlet 13 utgörs av en i. omkretsled kontinuerlig ring eller rör, men inom ramen för uppfinningen inbegripes även diskontinuerliga sådana. Vidare erfordras inte något hål i axiell riktning för lagringsmedlet 16, utan det kan även tänkas bildas av en massiv axel. anordnas kan även istället Reglerorganet 12 förskjutbart i axiell riktning för vridbart kring brännkammarens centrumlinje. 523 082 a »nønov n ll ekerstruktur 17 skall betraktas som ett exempel och kan exempelvis ersättas Reglerorganets 12 enbart av någon annan typ av väggstruktur eller fackverk med genomgående hål eller öppningar.

Vidare skall den ovan beskrivna lågemissions- brännkammaren enbart betraktas som en exemplifierande och inte på något sätt begränsande applikation av uppfinningen.

Claims (21)

10 15 20 25 30 ~ 523 082 12 PATENTKRAV

1. Anordning vid en brännkammare (1) hos en gasturbin för reglering av inflöde av gas till brännkammarens (10,11), ett utanför brännkammaren anordnat reglerorgan (12,12'), (13) för till förbränningszon varvid anordningen innefattar som i sin tur innefattar ett första medel àtminstone ett första inlopp vilket täckning av täckmedel är förskjutbart och ett med täckmedlet förbränningszonen, anordnat relativt brännkammaren, förbundet medel (16) för lagring av reglerorganet k ä n n e t e c k n a d av, att lagringsmedlet (16) och det första täckmedlet (13) är fast förbundna med varandra, och att lagringsmedlet (16) är lagrat i en struktur (4) bakcmx brännkammaren (1).

2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av, (4), i (16) är lagrat, bildar àtminstone del av brännkammarlocket. att strukturen vilken lagringsmedlet

3. Anordning enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av, att lagringsmedlet (16) är lagrat i nämnda struktur àtminstone väsentligen koncentriskt relativt brännkammarens centrumlinje.

4. Anordning enligt kravet 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av, (16) riktning utanför är lagrat i nämnda struktur i till att lagringsmedlet radiell en pilotspridare (2) brännkammaren. 10 15 20 25 30 523 082 13

5. Anordning enligt kravet 4, k ä n n e t e c k n a d av, (16) pilotspridaren (2) och att lagringsmedlet är lagrat mot att lagringsmedlet sträcker sig kring strukturen med sin i radiell riktning yttre yta (20){

6. Anordning enligt nágot av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att lagringsmedlet (16) har cirkulär tvärsnittsform.

7. Anordning enligt nàgot av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att det första täckmedlet (14,l5) som väsentligen i radiell riktning genom dess vägg. (13) sträcker sig uppvisar ätminstone en urtagning ätminstone

8. Anordning enligt kravet 7, k ä n n e t e c k n a d av, (l4,15) är inrättad för att tillsammans med nämnda första att nämnda urtagning hos det första täckmedlet (13) inlopp till brännkammaren bilda en genomgående kanal för position utanför brännkammaren till gasen fràn en brännkammarens inre.

9. Anordning enligt kravet 8, k ä n n e t e c k n a d av, att det första täckmedlet (13) innefattar ätminstone tvà uppsättningar av nämnda urtagningar, och att en första av nämnda uppsättningar urtagningar (14) är anordnad pà ett avstánd i brännkammarens längdriktning relativt den andra uppsättningen urtagningar (15).

10. Anordning enligt nágot av kraven 7-9, k ä n n e t e c k n a d av, 10 15 20 25 30 *S25 älfiiši- 14 (l2,l2') innefattar ett ringformigt för täckning av ytterligare inlopp till att reglerorganet (18) brännkammarens (1) förbränningszon, att täckpartiet (18) täckparti är anordnat på ett mindre avstånd från reglerorganets (13), (18) är försett med àtminstone en urtagning centrumlinje än det första täckmedlet och att täckpartiet (19).

11. Anordning enligt något av kraven 7-10, k ä n n e t e c k n a d av, att det första täckmedlet (13) har formen av en ring med (14,15) nämnda urtagning sig sträckande genom ringens vägg.

12. Anordning enligt något av de föregående kraven, k å n n e t e c k n a d av, att det första täckmedlet (13) är vridbart anordnat relativt brännkammarens vägg.

13. Anordning enligt nàgot av de föregående kraven, k å n n e t e c k n a d av, att reglerorganet (l2,l2') är vridbart anordnat relativt den i radiell riktning yttre strukturen (4).

14. Anordning enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att det första täckmedlet (13) större avstånd från en centrumaxel år anordnat. på ett i radiell riktning genom reglerorganet (l2,l2') än lagringsmedlet (16) är.

15. Anordning enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, första inlopp i (12) att nämnda brännkammarväggen, som reglerorganet är avsett för reglering av, bildar 10 15 20 25 30 .i 523 082 fi. " 15 inlopp för gasen till åtminstone en swirl (8,9) anordnad i brännkammaren.

16. Anordning enligt nàgot av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, (l2') vilket är anordnat för täckning av åtminstone ett (33) inlopp är anordnat pà ett avstånd i brännkammarens (1) att reglerorganet innefattar ett andra täckmedel (30), andra inlopp till förbränningszonen, vilket andra längdriktning från nämnda första inlopp.

17. Anordning enligt krav 16, k ä n n e t e c k n a d av, att det andra täckmedlet (30) som sträcker sig åtminstone väsentligen i uppvisar åtminstone en urtagning (32) radiell riktning genom dess vägg.

18. Anordning enligt krav 17, k ä n n e t e c k n a d av, att nämnda urtagning (32) hos det andra täckmedlet (30) är inrättad för att tillsammans med nämnda andra inlopp (33) gasen till brännkammaren bilda en genomgående kanal för från en position utanför brännkammaren till brännkammarens inre.

19. Anordning enligt krav 17 eller 18, k ä n n e t e c k n a d av, att det andra täckmedlet (30) har formen av en ring med nämnda urtagning (32) sig sträckande genom ringens vägg.

20. Anordning enligt något av kraven 16-19, k ä n n e t e c k n a d av, att det andra täckmedlet relativt brännkammarens vägg. (30) är vridbart anordnat *523 082 16

21. Anordning enligt krav 20, kännetecknad av, att det andra täckmedlet (30) är förbundet med det första täckmedlet (13) via åtminstone en arm (3l,34,35) .