Brenner und Verfahren zur Brennstoffzufuhr zu einem Brenner

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Brenner und ein Verfahren zur Brennstoffzufuhr zu dem Brenner.

Kommerzielle Gasturbinen sind im Fachgebiet zur Leistungserzeugung bekannt. Eine typische Gasturbine, die zur Erzeugung von elektrischer Leistung verwendet wird, enthält einen Axialkompressor am vorderen Bereich, eine oder mehrere Brenner um den mittleren Bereich herum und eine Turbine am hinteren Bereich. Umgebungsluft kann dem Kompressor zugeführt werden und rotierende Laufschaufeln und stationäre Leitschaufeln im Kompressor führen dem Arbeitsfluid (Luft) zunehmend kinetische Energie zu, um ein komprimiertes Arbeitsfluid in einem hochenergetisierten Zustand zu erzeugen. Das komprimierte Arbeitsfluid verlässt den Kompressor und strömt durch eine oder mehrere Düsen in eine Brennkammer in jedem Brenner, wo sich das komprimierte Arbeitsfluid mit Brennstoff mischt und zündet, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisen. Die Verbrennungsgase dehnen sich in der Turbine aus, um Arbeit zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Ausdehnung der Verbrennungsgase in der Turbine einen mit einem Generator verbundenen Schaft antreiben, um Elektrizität zu erzeugen.

Die Verbrennungsgase, die die Turbine verlassen, enthalten variierende Anteile von Stickstoffoxiden, Kohlenstoffmonoxiden, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und andere unerwünschte Emissionen, wobei der aktuelle Anteil jeder Emission vom Aufbau und den Betriebsparametern abhängt. Zum Beispiel beeinflusst die Länge des Brenners unmittelbar die Zeitdauer, die das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer verbleibt. Eine längere Verweildauer des Brennstoff-Luft-Gemischs in dem Brenner erhöht im allgemeinen die Stickstoffoxid-Niveaus, während eine kürze Verweildauer des Brennstoff-Luft-Gemischs in dem Brenner im Allgemeinen die Niveaus von Kohlenstoffmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen erhöht. Gleichermaßen beeinflusst das Betriebsniveau des Brenners unmittelbar den Emissionsgehalt der Verbrennungsgase. Insbesondere erhöhen höhere Verbrennungsgastemperaturen in Verbindung mit höheren Leistungsbetriebszuständen im Allgemeinen die Stickstoffoxid-Niveaus, während geringere Verbrennungsgastemperaturen in Verbindung mit geringen Brennstoff-Luft-Gemischen und/oder Teillastbetriebszuständen im Allgemeinen die Niveaus von Kohlenstoffmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen erhöhen. Daher wären fortgesetzte Verbesserungen des Brenneraufbaus und der Verfahren zur Brennstoffzufuhr zum Brenner nützlich, um unerwünschte Emissionen in den Verbrennungsgasen zu reduzieren.

Aspekte und Vorteile der Erfindung sind unten in der nachfolgenden Beschreibung ausgeführt oder können durch die Beschreibung offensichtlich sein oder können durch die Anwendung der Erfindung in Erfahrung gebracht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Brenner, der eine Kappe, eine sich von der Kappe stromabwärts erstreckende Buchse und ein sich stromabwärts von der Buchse erstreckendes Übergangsstück enthält. Eine Brennkammer ist stromabwärts von der Kappe angeordnet und zumindest teilweise durch die Kappe und die Buchse gebildet. Eine Sekundärdüse ist im Umfang um die Buchse und/oder das Übergangsstück angeordnet. Die Sekundärdüse enthält einen zentralen Körper, der sich von einem dem Brenner umschließenden Gehäuse durch die Buchse und/oder das Übergangsstück erstreckt, einen Fluiddurchlass durch den zentralen Körper, einen Kragen, der zumindest einen Abschnitt des zentralen Körpers in Umfangsrichtung umgibt und einen Ringdurchlass zwischen dem zentralen Körper und dem Kragen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Brenner, der eine Kappe, eine radial in der Kappe angeordnete Primärdüse, eine sich stromabwärts von der Kappe erstreckende Buchse, ein sich stromabwärts von der Kappe erstreckende Brennkammer, die zumindest teilweise durch die Kappe und die Buchse gebildet ist und ein Übergangstück aufweist, das sich stromabwärts von der Buchse erstreckt. Eine Sekundärdüse ist im Umfang um und durchgehend durch die Buchse und/oder das Übergangsstück angeordnet. Die Sekundärdüse enthält einen zentralen Körper, einen Fluiddurchlass durch den zentralen Körper, einen zumindest einen Abschnitt des zentralen Körpers in Umfangsrichtung umgebenden Kragen und einen Ringdurchlass zwischen dem zentralen Körper und dem Kragen.

Die vorliegende Erfindung kann auch ein Verfahren zur Brennstoffzufuhr zu einem Brenner aufweisen, das aufweist: Strömen eines ersten Brennerstoffs durch eine Primärdüse, die radial in einem geschlossenen Ende des Brenners angeordnet ist und Strömen eines zweiten Brennstoffs durch eine Sekundärdüse, die im Umfang um und durchgehend durch eine Buchse und/oder ein Übergangsstück angeordnet ist. Die Sekundärdüse enthält einen zentralen Körper, einen Fluiddurchlass durch den zentralen Körper, einen zumindest einen Abschnitt des zentralen Körpers in Umfangsrichtung umschließenden Kragen und einen Ringdurchlass zwischen dem zentralen Körper und dem Kragen.

Die Fachleute werden die Merkmale und Aspekte dieser und weiterer Ausführungsbeispiele beim Lesen der Beschreibung besser verstehen.

Eine vollständige und ausführbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren für einen Fachmann am besten geeignetsten Ausführungsform ist genauer in der verbleibenden Beschreibung unter Bezugnahme zu den beigefügten Figuren ausgeführt, in denen:

1 ein vereinfachter Querschnitt eines beispielhaften Brenners entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;

2 eine vergrößerte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer in 1 dargestellten Sekundärdüse ist;

3 ein vereinfachter Querschnitt eines Brenners entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;

4 eine vergrößerte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer in 3 gezeigten Sekundärdüse ist; und

5 eine vergrößerte Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer in 3 gezeigten Sekundärdüse ist.

Es wird nun im Detail Bezug auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele der Erfindung genommen, wobei eine oder mehrere Beispiele davon in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Ziffern- und Buchstaben-Bezugszeichen, um auf die Merkmale in der Zeichnung Bezug zu nehmen. Gleiche oder gleichartige Bezugszeichen in der Zeichnung und der Beschreibung wurden zur Bezugnahme auf gleiche oder gleichartige Teile der Erfindung verwendet.

Jedes Beispiel wird zur Erklärung der Erfindung verwendet und nicht zur Beschränkung der Erfindung. Tatsächlich ist es für die Fachleute verständlich, dass Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne von deren Schutzbereich oder Gedanken abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels beschrieben oder dargestellt sind, bei einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel zu erhalten. Daher ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen umfasst, die innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Patentansprüche sowie deren Äquivalente liegen.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung enthalten einen Brenner mit Primärdüsen und Sekundärdüsen. Die Primärdüsen können an einem geschlossenen Ende des Brenners angeordnet sein und die Sekundärdüsen können peripher um die Brennkammer angeordnet sind. Die Primärdüsen und die Sekundärdüsen stellen eine gestufte Zufuhr von mit komprimiertem Arbeitsfluid vor gemischtem Brennstoff in die Brennkammer bereit, um die Verbrennungsgastemperatur und die Verweildauer des Brennstoffs in dem Brenner zu optimieren.

1 stellt einen vereinfachten Querschnitt eines beispielhaften Brenners 10 dar, wie er in einer Gasturbine enthalten sein kann, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Gehäuse 12 kann den Brenner 10 umschließen, um das komprimierte Arbeitsfluid aufzunehmen, das zu dem Brenner 10 strömt. Wie veranschaulicht kann der Brenner 10 eine oder mehrere Primärdüsen 14 enthalten, die radial in dem geschlossenen Ende zwischen einer Kappe 16 und einer Abdeckung 18 angeordnet sind. Die Kappe 16 und eine Buchse 20 umschließen oder bilden allgemeine eine Brennkammer 22, die stromabwärts der Primärdüsen 14 angeordnet ist, und ein Übergangsstück 24, das stromabwärts der Buchse 20 angeordnet ist, verbindet die Brennkammer 22 mit einem Turbineneinlass 26. Wie hierin verwendet, beziehen sich die Begriffe „stromaufwärts” und „stromabwärts” auf die Relativanordnung von Komponenten in einem Fluidströmungsweg. Zum Beispiel ist eine Komponente A stromaufwärts der Komponente B angeordnet, wenn ein Fluid von der Komponente A zu der Komponente B strömt. Umgekehrt ist eine Komponente B stromabwärts der Komponente A angeordnet, wenn die Komponente B die Fluidströmung von der Komponente A empfängt.

Eine Prallhülse 28 mit Strömungslöchern 30 kann das Übergangsstück 24 umschließen, um einen Ringraum 32 zwischen der Prallhülse 28 und dem Übergangsstück 24 zu bilden. Das komprimierte Arbeitsfluid kann durch die Strömungslöcher 30 in die Prallhülse 28 gelangen, um durch den Ringraum 32 zu strömen, um eine Konvektionskühlung für das Übergangsstück 24 und/oder die Buchse 20 bereitzustellen. Wenn das komprimierte Arbeitsfluid die Endabdeckung 18 erreicht, kehrt das komprimierte Arbeitsfluid die Richtung um, um durch die Primärdüsen 14 zu strömen, wo es sich mit dem Brennstoff mischt, bevor es in der Brennkammer 22 zündet, um Verbrennungsgase mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu erzeugen.

Der Brenner 10 enthält ferner eine oder mehrere Sekundärdüsen 40, die im Umfang um die Brennkammer 22 herum angeordnet und in etwa rechtwinklig zu den Primärdüsen 14 ausgerichtet sind. In dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel stellen die Sekundärdüsen 40 eine Fluidverbindung durch das Übergansstück 34 zu der Brennkammer 22 bereit. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Ausführungsbeispiels der in 1 dargestellten Sekundärdüse 40. Wie veranschaulicht, kann die Sekundärdüse 40 an einen Fluidverteiler 42 angeschlossen sein, der außerhalb des Brenners 10 angeordnet ist. Der Fluidverteiler 42 kann Brennstoff und/oder ein Verdünnungsmittel durch die Sekundärdüse 40 in die Brennkammer 22 einbringen. Mögliche flüssige Brennstoffe, die von dem Brennstoffverteiler 42 über die Sekundärdüse 40 zugeführt werden, können leichte und schwere Heizöle, Ölschlämme, Naphtha, Petroleum, Kohlenteer, Rohöl und Benzin aufweisen, und mögliche gasförmige Brennstoffe, die von dem Fluidverteiler 42 durch die Sekundärdüse 40 zugeführt sind, können Gichtgas, Kohlenmonoxid, Kokereigas, Erdgas, Methan, verdampftes Flüssiggas (LNG), Wasserstoff, Synthesegas, Butan, Propan und Olefine enthalten. Mögliche Verdünnungsmittel, die von dem Fluidverteiler 42 durch die Sekundärdüse 40 zugeführt werden, können Wasser, Dampf, Brennstoffadditive, verschiedene Inertgase wie etwa Stickstoff und/oder verschiedene nicht-entzündbare Gase wie etwa Kohlendioxid oder Verbrennungsabgas enthalten. Die Anordnung des Fluidverteilers 42 außerhalb des Brenners 10 erlaubt es der Umgebungsluft jeglichen entweichenden Brennstoff oder Verdünner schnell zu verdünnen und aufzulösen und vereinfacht das detektieren und reparieren jeglichen Lecks, das im Brennstoffverteiler 42 entstehen kann.

Wie am deutlichsten in 2 veranschaulicht ist, enthält die Sekundärdüse 40 allgemein einen zentralen Körper 44, der einen Fluiddurchlass 46 bildet, der sich von dem den Brenner 10 umschließenden Gehäuse 12 durch das Übergangsstück 24 erstreckt. Der Fluiddurchlass 46 kann an einer Mehrzahl von Anschlüssen 48 enden, die eine Fluidverbindung zwischen dem zentralen Körper 42 und der Brennkammer 22 bereitstellen. In bestimmten Ausführungsbeispielen, wie in 2 veranschaulicht, können die Anschlüsse 48 gegenüber einer axialen Mittellinie 50 des Fluiddurchlasses 46 in einem Winkel angeordnet sein, um dem durch den Fluiddurchlass 46 in die Brennkammer 22 strömenden Fluid einen Drall zu verleihen. Auf diese Weise ermöglichen der zentrale Körper 44, der Fluiddurchlass 46 und die Anschlüsse 48 das Einbringen von Brennstoff und/oder Verdünnern durch das Übergangsstück 24 in die Brennkammer 22 stromabwärts der Primärdüsen 14.

Die Sekundärdüse 40 kann außerdem einen Kragen 52 aufweisen, der zumindest einen Abschnitt einen zentralen Körpers 44 in Umfangsrichtung umschließt, um einen Ringdurchlass 54 zwischen dem zentralen Körper 44 und dem Kragen 52 zu bilden. Der Kragen 52 kann außerdem eine trompetenförmige Öffnung 56 um zumindest einen Abschnitt des Kragens 52 herum aufweisen, um das Einbringen von komprimiertem Arbeitsfluid in und durch die Sekundärdüse 40 zu erleichtern. Alternativ oder zusätzlich kann die Sekundärdüse 40 eine oder mehrere Drallleitkörper 58 im Ringdurchlass 54 enthalten, um den durch den Ringdurchlass 54 und in die Brennkammer 22 strömenden komprimierten Arbeitsfluid einen tangentialen Drall zu geben.

3 stellt einen vereinfachten Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des Brenners 10 und 4 stellt eine vergrößerte Ansicht der in 3 gezeigten Sekundärdüse 40 dar. Nochmals, der Brenner 10 enthält das Gehäuse 12, Primärdüsen 14, die Kappe 16, die Endabdeckung 18, die Buchse 20, die Brennkammer 22, das Übergangsstück 24 und den Ringraum 32 wie vorstehend mit Bezug auf 1 und 2 beschreiben. Die Sekundärdüsen 40 sind wiederum im Umfang um die Brennkammer 22 angeordnet und in etwa rechtwinklig zu jeder Primärdüse 14 ausgerichtet. Außerdem sind die Sekundärdüsen 40 wiederum mit dem Fluidverteiler 42 verbunden, der außerhalb des Brenners 10 angeordnet ist, so dass der Fluidverteiler 42 wiederum Brennstoff und/oder Verdünner durch die Sekundärdüsen 40 in die Brennkammer 22 zuführen kann. Jedoch stellen die Sekundärdüsen 40 bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel eine Fluidverbindung mit der Brennkammer 22 durch die Buchse 20 bereit.

Wie am deutlichsten in 4 veranschaulicht ist, enthält jede Sekundärdüse 40 wiederum allgemein den zentralen Körper 44, den Fluiddurchlass 46, die Anschlüsse 48, den Ringdurchlass 54 und Drallleitkörper 58 wie vorstehend mit Bezug auf das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel beschrieben. Jedoch erstreckt sich der Kragen 42 bei dem in 4 dargestellten konkreten Ausführungsbeispiel durchgehend von dem Gehäuse 12 zu der Buchse 20. Zusätzlich enthält der Kragen 52 eine Vielzahl von Öffnungen 60, die eine Fluidverbindung durch den Kragen 52 mit dem Ringdurchlass 54 bereitstellen. Auf dies Weise kann komprimiertes Arbeitsfluid, das durch den Ringraum 32 strömt, durch die Öffnungen 60 in den Ringdurchlass 54 gelangen und über die Drallleitkörper 58 in die Brennkammer 22 strömen.

5 stellt eine vergrößerte Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der in 3 dargestellten Sekundärdüse 40 dar. Bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel sind die in 4 vorhandenen Drallleitkörper 58 entfernt worden und die Öffnungen 60 wurden azimutal und/oder radial in Bezug auf die axiale Mittellinie 50 des Fluiddurchlasses 46 mit einem Winkel angeordnet. Auf diese Weise vermitteln die im Winkel angeordneten Öffnungen 60 einen tangentialen Drall auf das durch den Ringdurchgang 54 und in die Brennkammer 22 strömende komprimierte Arbeitsfluid.

Die verschiedenen in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zur Brennstoffzufuhr zum Brenner 10 zur Verfügung. Das Verfahren kann aufweisen: Einströmen eines ersten Brennstoffs durch eine Mehrzahl von Primärdüsen 14, die radial im geschlossenen Ende des Brenners 10 angeordnet sind und Einströmen eines zweiten Brennstoffs durch die Mehrzahl von Sekundärdüsen 40, die im Umfang um und sich erstreckend durch die Buchse 20 und/oder das Übergangsstück 24 angeordnet sind. Der erste und der zweite Brennstoff können derselbe Brennstoff oder verschiedene Brennstoffe sein, abhängig von dem besonderen Aufbau und den Betriebsanforderungen. Jede Sekundärdüse 40 enthält allgemein den zentralen Körper 44, der Fluiddurchlass 46 durch den zentralen Körper 44, den Kragen 52, der zumindest einen Abschnitt des zentralen Körpers 44 in Umfangsrichtung umgibt, und den Ringdurchlass 54 zwischen dem zentralen Körper 44 und dem Kragen 52. Bei besonderen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren das Einströmen des ersten Brennstoffs in etwa rechtwinklig zu dem zweiten Brennstoff aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren die Drallerzeugung des zweiten Brennstoffs durch die Anschlüsse 48 und/oder die Drallerzeugung des durch den Ringdurchlass 54 in die Brennkammer 22 strömenden komprimierten Arbeitsfluids enthalten.

Es ist vorweggenommen, dass die verschiedenen Ausführungsbeispiele und Verfahren, die hierin beschrieben sind, eine oder mehrere körperliche und/oder betriebliche Vorteile gegenüber bestehenden Brennern zur Verfügung stellen. Zum Beispiel stellen die Primärdüsen 14 und Sekundärdüsen 40 eine gestufte Einspritzung von vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemischen in die Brennkammer 22 bereit. Das gestufte Einspritzen von vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemischen kann eine präzisere Steuerung der Verbrennungsgastemperatur sowohl während Hochleistungsbetriebszuständen, als auch während Betriebszuständen mit reduzierter Leistung oder mit Teillast ermöglichen. Eine präzisere Steuerung der Verbrennungsgastemperaturen wird wiederrum die Fähigkeit zur Reduzierung oder zur Steuerung von unerwünschten Emissionen verbessern, die über einen größeren Bereich von Betriebszuständen des Brenners 10 produziert werden. Zusätzlich ermöglicht das Anordnen der Sekundärdüsen 40 im Umfang um die Brennkammer 22 das Anordnen des Fluidverteilers 42 außerhalb des Brenners 10. Folglich können Leckagen des Fluidverteilers 52 außerhalb des Brenners 10 einfacher festgestellt und repariert werden, was Schäden reduziert und/oder vermeidet, die durch auslaufenden Brennstoff oder Verdünner in dem Brenner 10 verursacht werden.

Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der Erfindung, einschließlich der bestmöglichen Ausführungsform und auch um jeden Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und des Verwendens jeder Vorrichtung oder Einrichtung und des Ausführens jedes enthaltenen Verfahrens. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann andere Beispiele enthalten, die sich den Fachleuten offenbaren. Solche anderen und Ausführungsbeispiele sind dazu bestimmt, innerhalb des Schutzbereichs der Patentansprüche zu liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von der wörtlichen Ausdrucksweise der Patentansprüche abweichen oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten, die keine substanziellen Unterschiede zu der wörtlichen Ausdrucksweise der Patentansprüche aufweisen.