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Dokumentenidentifikation EP1065346 08.02.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 1065346
Titel Gasturbinenbrennkammer
Anmelder ABB (Schweiz) AG, Baden, Aargau, CH
Erfinder Fitzsimons, Dr., Conor, 5408 Ennetbaden, CH;
Semmler, Klaus, 79787 Lauchringen, DE;
Vogeler, Dr., Konrad, 79790 Rheinheim, DE;
Weigand, Dr., Bernhard, 79787 Lauchringen, DE
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 02.07.1999
EP-Aktenzeichen 998105712
EP-Offenlegungsdatum 03.01.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.02.2001
IPC-Hauptklasse F01D 17/08

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit ringförmiger Konfiguration gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben.

Stand der Technik

Die erste Leitschaufelreihe einer modernen Gasturbine wird im Interesse eines hohen Wirkungsgrades und einer hohen Leistung mit Heissgastemperaturen beaufschlagt, die weit höher sind als die zulässigen Materialtemperaturen der Leitschaufeln. Dies kann nur dann realisiert werden, wenn die hochbelasteten Komponenten einerseits extrem stark gekühlt werden, andererseits die Heissgastemperatur mit sehr hoher Sicherheit in einem gewissen Rahmen bekannt ist und limitiert wird. Zu berücksichtigen ist bei letzterem Punkt, dass eine hinreichend genaue unmittelbare Messung der Heissgastemperatur in der Praxis sehr problematisch ist. Im Rahmen der praktischen Realisierung ist dabei selbstverständlich nicht an den Einsatz hochspezialisierter Strahlungs-Messverfahren oder der kohärenten Anti-Raman-Streuung (CARS) gedacht, sondern beispielsweise an Thermoelementmessungen. Selbst wenn ein Thermoelement bei derart hohen Temperaturen langfristig zuverlässig arbeiten würde, führte spätestens der intensive Strahlungsaustausch zwischen dem Thermoelement und gekühlten Bauteilen zu groben und - obschon systematischer Natur - nicht hinreichend korrigierbaren Messfehlern, durchaus in der Grössenordnung mehrerer 100°C.

Die Heissgastemperaturen werden daher heute indirekt bestimmt, beispielsweise als Funktion des Druckverhältnisses über die Turbine, der Temperatur am Turbinenaustritt, und einer Wärme- und Leistungsbilanz. Dieses indirekte globale Verfahren hat sich seit Jahren bewährt und soll daher im Rahmen der vorliegenden Schrift nicht diskutiert werden.

Im Hinblick auf die thermische Belastung der Leitschaufeln ist allerdings weniger die gemittelte Heissgastemperatur allein ausschlaggebend, sondern die lokale Temperatur des Gases, das die Schaufel umströmt. Selbstverständlich ist seit langem bekannt, dass in der Heissgaströmung mitunter heisse Zöpfe auftreten, deren Existenz noch am Turbinenaustritt deutlich nachweisbar ist. Bei der - aus heutiger Sicht - konservativen Gasturbinentechnologie der Vergangenheit konnten derartige Ungleichförmigkeiten der Heissgastemperatur in Umfangsrichtung am Turbineneintritt durch die Wahl eines entsprechenden Sicherheitsfaktors toleriert werden. Bei der Gasturbinentechnologie für das beginnende Jahrtausend jedoch werden deutlich erhöhte Anforderungen an die Effizienz der Maschinen die verfügbaren Sicherheitsmargen auf ein Minimum reduzieren.

Gute Voraussetzungen für eine am Umfang gleichförmige Temperaturverteilung bieten Brennkammern mit einer ringförmigen Konfiguration, insbesondere also Ringbrennkammern und Ring-Rohr-Brennkammern, bei denen der Brennstoff der Brennluft über eine Mehrzahl an einer Stirnseite der Brennkammer angeordneter und am Umfang verteilter Brenner oder Flammrohre zugeführt wird, wenn die Brennstoffzufuhr zu einzelnen Umfangssegmenten hinreichend gleichmässig arbeitet. Eine solche Brennkammer ist beispielsweise aus der EP 0 542 044 bekannt. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass eine derart gleichmässige Verteilung des Brennstoffes aufgrund unvermeidlicher Toleranzen, wie beispielsweise Druckverluste in unterschiedlich langen Brennstoffleitungen, kaum realisierbar ist, was wiederum zu einer ungleichmässigen thermischen Belastung der Schaufeln der ersten Leitreihe führt.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenbrennkammer der eingangs genannten Art eine Möglichkeit vorzusehen, die thermische Belastung der Leitschaufeln der ersten Leitreihe in Umfangsrichtung zu vergleichmässigen, und insbesondere Temperaturspitzen zu vermeiden.

Diese Möglichkeit wird geschaffen durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, durch welche dort angegebene Vorrichtung die Voraussetzungen zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 2 geschaffen werden.

Kern der Erfindung ist es, durch eine Temperaturmessung im Bereich der ersten Turbinenleitreihe Abweichungen der thermischen Belastung der Komponenten an unterschiedlichen Umfangspositionen zu erkennen und diese durch eine Regelung der lokal zugeführten Brennstoffmenge zu korrigieren.

Der Brennstoff wird über ein System von Brennstoffzuführungen und Mittel zur Einbringung eines Brennstoffs in das Arbeitsmedium, zur Vermischung des Brennstoffs mit dem Arbeitsmedium und zur Stabilisierung einer Flamme, in die Brennkammer eingebracht. In den meisten Fällen sind diese Mittel, die insgesamt drei Funktionen erfüllen müssen, in Brennern oder Flammrohren zusammengefasst, so, dass schliesslich eine Baugruppe alle drei Funktionen erfüllt. Es kann aber durchaus; insbesondere bei einer selbstzündenden Brennkammer, der Brennstoff durch eine einfache Brennstofflanze in eine turbulente Strömung eingebracht werden, in der sich der Brennstoff mit dem Arbeitsmedium vermischt, und erst ein Stück weiter stromab durch geeignete Mittel eine stabile Flammenfront ausgebildet wird. Der Fachmann spricht in diesem Falle nicht ohne weiteres von einem Brenner. Aus Gründen einer einfachen Nomenklatur wird im folgenden der Begriff Brenner im Sinne einer Kombination von Mitteln benutzt, welche die oben beschriebenen Funktionen erfüllen.

Bei einer Ringbrennkammer oder Ringrohrbrennkammer, wobei es sich selbstverständlich auch um eine selbstzündende Brennkammer handeln kann, sind die Brennstoffmenge, die an der einen Stirnseite der Brennkammer zugeführt wird, und die Temperatur, mit der ein Heissgas auf der anderen Stirnseite in die Turbine einströmt, innerhalb eines Umfangssegmentes eng miteinander gekoppelt, da die globale Strömung in der Brennkammer nahezu rein axial ausgerichtet ist. Lokale Abweichungen der Temperatur in einem Umfangssegment können bei erfindungsgemässer Ausführung der Gasturbinenbrennkammer durch einen Regeleingriff in die Brennstoffzufuhr zu diesem Umfangssegment ausgeregelt werden. Dabei kann die Brennstoffzufuhr eines einzelnen oder einzelner innerhalb des Umfangssegmentes angeordneten Brenners oder Flammrohres beeinflusst werden, andererseits kann die Brennstoffzuführung von innerhalb dieses Umfangssegments gelegenen benachbarten Brennern oder Flammrohren zusammengefasst und gemeinsam über ein Stellglied variiert werden.

Wie einleitend angedeutet, ist eine unmittelbare Messung der Heissgastemperaturen äusserst problematisch, aber auch nicht unbedingt notwendig, wenn die mittlere Temperatur wie oben kurz beschrieben durch spezielle Verfahren aus gut zu erfassenden Grössen bestimmt wird. Diese mittlere Heissgastemperatur bestimmt ohnehin die Auslegung der thermischen Belastbarkeit der Schaufeln der ersten Turbinen-Leitreihe. Für die Erfindung ist jedoch die Bestimmung einer Abweichung vom Temperaturmittelwert wesentlich. Weiterhin interessiert weniger die Heissgastemperatur, als vielmehr die thermische Belastung, also die Materialtemperatur, der Schaufeln.

Aus diesem Grund werden erfindungsgemäss Mittel vorgesehen, die eine Temperaturmessung bei einer hinreichend grossen Anzahl von Schaufeln der ersten Leitreihe ermöglichen. Die ringförmige Brennkammer wird virtuell in eine Reihe von Umfangssegmenten unterteilt, von denen jedes einer Temperaturmesstelle zugeordnet wird. Zur Realisierung der Temperaturmessung können beispielsweise an geeigneter Stelle der Schaufeln Thermoelemente angebracht werden, insbesondere im Schaufelmaterial im Bereich der Schaufelvorderkante, um die angestrebte Temperaturregelung auf eine Stelle maximaler thermischer Belastung der Schaufel zu beziehen. Um eine Vergleichbarkeit zwischen den Messwerten der einzelnen Messstellen zu gewährleisten, sind alle mit einer Temperaturmessung ausgestatteten Schaufeln identisch zu bestücken, also mit identischen Temperatursensoren und an identischer Stelle im Schaufelmaterial. Die Messstellen werden bevorzugt gleichmässig am Umfang der ersten Turbinenleitreihe verteilt. Damit messen die Temperaturmesstellen nicht unmittelbar die Heissgastemperatur, sondern die Materialtemperatur an einer definierten Stelle einer Schaufel. Zudem muss zur Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens keine Absoluttemperatur bestimmt werden, sondern die Temperaturabweichung zwischen den einzelnen Schaufeln, wodurch die Ermittlung der zur Durchführung des weiterhin in den Ansprüchen gekennzeichneten Verfahrens erforderlichen Daten wesentlich vereinfacht wird.

Weiterhin erfindungswesentlich ist, dass die Brennstoffzufuhr zu den Umfangssegmenten jeweils individuell verstellbar ist. Hierzu wird die Brennstoffzuleitung zu einem einzelnen Brenner oder Flammrohr der ringförmigen Brennkammer oder eine gemeinsame Brennstoffzuleitung zu einer Gruppe benachbarter Brenner oder Flammrohre mit einem Stellorgan versehen. Dieses Stellorgan ist der Temperaturmessstelle des jeweiligen Umfangssegmentes zugeordnet, und dessen Stellung wird über einen Regler von dieser Temperaturmesstelle beeinflusst.

Diese Vorrichtung kann genutzt werden, um Abweichungen einzelner Umfangssegmente vom Temperaturmittelwert auszuregeln. Hierzu werden die Materialtemperaturen der mit Temperatursensoren bestückten Schaufeln der ersten Leitreihe gemessen, und aus diesen ein Mittelwert gebildet. Die individuellen Messwerte in den Umfangssegmenten werden mit diesem Mittelwert verglichen, und Abweichungen über eine Verstellung des oder der jeweils zugeordneten Stellorgane ausgeglichen. Das heisst, dass bei einer lokalen Temperatur, die über dem Mittelwert liegt, die Brennstoffmenge, die dem Arbeitsmedium innerhalb dieses Segmentes zugeführt wird, gedrosselt wird, und dass diese Brennstoffmenge umgekehrt, wenn die lokale Temperatur unterhalb des Mittelwertes liegt, erhöht wird.

Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemässen Verfahrens ergibt sich daraus, dass das Stellorgan, das die Brennstoffzufuhr aufgrund der Temperaturmessung regelt, auch Abweichungen im lokalen Durchfluss der Schaufeln berücksichtigt. Insbesondere dann, wenn eine Temperaturmessstelle nahe einer Abströmseite einer Schaufel angeordnet ist, wird somit eine "überkühlte" Schaufel mit einer lokal höheren Heissgastemperatur beaufschlagt, und es wird eine möglichst gleichmässige Temperaturverteilung stromab der ersten Leitreihe erzielt.

Aufgrund der erwähnten Regeleingriffe wird sich im allgemeinen der Mittelwert der Heissgastemperatur ändern. Es ist jedoch nicht Aufgabe des erfindungsgemässen Verfahrens, diesen Mittelwert korrekt auszuregeln; diese Aufgabe wird auf wohlbekannte Weise durch die oben in Grundzügen beschriebene Temperaturregelung der Maschine ausgeführt. Aufgabe des erfindungsgemässen Verfahrens ist, am Umfang festgestellte Inhomogenitäten der Heissgas- und gerade auch der Materialtemperaturen auszugleichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Die Erfindung ist in diesem Beispiel in einen speziellen Kontext eingebunden, und zur Realisierung wird auf bestimmte, an sich bekannte Elemente zurückgegriffen, wobei dies selbstverständlich keinesfalls eine Einschränkung darstellt. Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Gasturbine mit sequentieller Verbrennung. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die erste Brennkammer der Gasturbine aus zwei Blickrichtungen. Figuren 3 und 4 erläutern eine selbstzündende Brennkammer. In Fig. 5 ist schliesslich ein Querschnitt durch die selbstzündende zweite Brennkammer der Gasturbine aus Fig. 1 in zwei Blickrichtungen dargestellt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, wie sie aus der EP 0 620 362 bekannt ist. Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung keineswegs auf Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung beschränkt, ist aber bei diesen, aufgrund der dort erreichten hohen thermodynamischen Daten mit Vorteil einzusetzen. Der Rotor 1 ist in einem Gehäuse 2 angeordnet. In der Längsrichtung der Maschine kann diese in einen Kompressor 3, eine erste Verbrennungszone 4, eine erste Turbine 5, eine zweite Verbrennungszone 6, und eine zweite Turbine 7. Die Beschaufelung von Kompressor und Turbine ist, mit Ausnahme der jeweils ersten Turbinenleitreihe, nicht erfindungswesentlich und daher nicht dargestellt.

Die zitierten Komponenten werden von einer Strömung eines Arbeitsmediums durchströmt, dessen Strömungsrichtung mit Pfeilen gekennzeichnet ist. Aus dem Kompressor 3 tritt in diesem Beispiel verdichtete Luft in ein Plenum 41 ein. Von dort tritt es durch die Drallerzeuger der Brenner 42 in die Brennkammer 43 ein. Im Brenner wird die verdrallte Strömung mit Brennstoff vermischt, der über Brennstoffzuleitungen 44 aus einem Brennstoff-Verteilsystem 45 zuströmt. Weiterhin verfügen die Brenner über Mittel, die zur Ausbildung einer flammenstabilisierenden Rückströmzone führen. Das erhitzte Arbeitsmedium strömt nach der Verbrennung des Brennstoffs als Rauchgas mit hohem Sauerstoffgehalt aus der Brennkammer 43 über eine erste Turbinenleitreihe 51 in eine erste Turbine 5 ein, und wird teilweise entspannt. Stromab der ersten Turbine 5 befindet sich das Rauchgas noch immer auf hoher Temperatur und deutlich über dem Umgebungsdruck. Dieses Heissgas überströmt mit hoher Geschwindigkeit Wirbelgeneratoren 61, die im Strömungsweg angeordnet sind. Stromab der Wirbelgeneratoren 61 ist eine Brennstofflanze 62 angeordnet, die der turbulenten Strömung einen Brennstoff aus dem Brennstoff-Verteilsystem 65 zuführt, welcher Brennstoff schnell in der turbulenten Strömung vermischt wird, und sich aufgrund der hohen Gastemperatur von selbst entzündet. Eine Strecke stromab der Brennstofflanze 62 befindet sich eine sprunghafte Querschnittserweiterung 67 im Strömungsweg. Diese sorgt für die Ausbildung einer Rückströmzone, wodurch sich eine stabile Flammenfront im Brennraum 63 ausbilden kann. Anschliessend strömt das Arbeitsmedium durch die erste Leitreihe 71 einer zweiten Turbine in diese zweite Turbine 7 ein, und wird dort annähernd auf den Umgebungsdruck entspannt.

Die jeweils ersten Leitreihen 51 und 71 der Turbinen 5 und 7 werden von besonders heissen Gasen umströmt. Aufgrund von Inhomogenitäten der Heissgastemperaturverteilung am Umfang des Leitrades werden die einzelnen Schaufeln thermisch ungleich belastet. Dies führt entweder zu einer Überhitzung einzelner Schaufeln, einem höheren Kühlluftbedarf, als es bei einer gegebenen mittleren Heissgastemperatur notwendig wäre, oder einer abzusenkenden mittleren Heissgastemperatur. Alle drei Massnahmen haben negative Auswirkungen, einmal auf die Lebensdauer der Maschinenkomponenten, zum anderen aber auch auf den Wirkungsgrad und die Leistung der Maschine.

In Fig. 2 a und b sind die Ansichten IIa und IIb der ersten Brennkammer dargestellt. Fig. 2a zeigt hierbei eine Ansicht der einströmseitigen Stirnseite der Brennkammer 43, während Fig. 2b eine Draufsicht auf die erste Leitreihe 51 der ersten Turbine 5 darstellt. Die Stirnseite der Brennkammer ist mit einer Anzahl von am Umfang verteilten Brennern 421- 428 bestückt. Weder Anzahl noch Bauart der Brenner, noch deren Anordnung auf einem Kreis, ist erfindungswesentlich. Insbesondere bei der Brennerbauart kommt zur Ausführung der Erfindung prinzipiell jede Brennerbauart in Betracht, ebenso wie statt einer Anzahl von Brennern auch eine Anzahl von Flammrohren, oder die komplette Realisierung der Brennkammer als Ring-Rohrbrennkammer vorstellbar ist, ohne die Realisierbarkeit der Erfindung in Frage zu stellen. Im Ausführungsbeispiel sind zur Illustration Doppelkegelbrenner eingezeichnet, wie sie aus der EP 0 321 809 bekanntgeworden sind; auch andere Vormischbrennerbauarten, die beispielsweise aus WO 93/17279 oder EP 0 780 629 bekannt sind, werden mit Vorteil verwendet, wobei die zitierten Schriften im Übrigen einen integralen Bestandteil der vorliegenden Beschreibung darstellen.

Wie erwähnt, sind in der Praxis ohne weitere Massnahmen zu ergreifen ungleichmässige Brennstoff- und Luftmassenströme in den einzelnen Brennern unvermeidlich, was in den oben zitierten ungleichförmigen Temperaturen am Umfang der Brennkammer resultiert. Die Heissgastemperatur ist in der Praxis nicht unmittelbar ohne einen unverhältnismässigen Aufwand messbar, was aber auch nicht unbedingt notwendig ist, da das Ziel der Erfindung ist, eine ungleichmässige thermische Belastung der Leitschaufeln, ausgedrückt durch die Materialtemperaturen, zu detektieren und zu beheben. Hierzu wird die erste Leitreihe gedanklich in eine Anzahl von Umfangssegmenten unterteilt, und in jedem Umfangssegment ist je eine Leitschaufel 511 - 518 mit einem Temperatursensor bestückt. Dieser kann durchaus unterhalb der Oberfläche des Schaufelmaterials angeordnet sein, allerdings muss gewährleistet sein, dass die Anordnung der Sensoren in allen bestückten Schaufeln identisch ist, um eine Vergleichbarkeit der Temperaturmesswerte zu gewährleisten. Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, müssen die Temperatursensoren zur Anwendung der erfindungsgemässen Verfahrens auch nicht auf Absoluttemperaturen sondern nur relativ zueinander kalibriert werden. Aufgrund der geradlinigen und weitgehend rein axialen Durchströmung der Brennkammer kann die in einem Segment ermittelte Temperatur unmittelbar auf die auf der gegenüberliegenden Stirnseite im gleichen Umfangssegment eingebrachte Brennstoffmenge zurückgeführt werden.

Im Ausführungsbeispiel sind die mit einer Temperaturmessung bestückten Schaufeln so gewählt, dass sie jeweils einem Brenner gegenüberliegen, das heisst, dass ein Umfangssegment auf der Stirnseite genau einen Brenner umfasst, was aber nicht zwingend ist: In einem Umfangssegment auf der Stirnseite könnte ebensogut eine Gruppe von - beispielsweise - fünf Brennern liegen. Die Brennstoffzuleitungen 441 - 448 der Brenner sind je Umfangssegment mit wenigstens einem Stellorgan 461 - 468 versehen, mittels welcher Stellorgane der Brennstoffmassenstrom, der in dem jeweiligen Segment zugeführt wird, verstellbar ist. Im Ausführungsbeispiel ist beispielsweise der Brenner 421 mittel einer Brennstoffzuführung 441 mit dem Brennstoff-Verteilsystem 45 verbunden, wobei in der Brennstoffzuführung ein Stellorgan 461 angebracht ist. Auf gleiche Weise läuft die Brennstoffzufuhr jeden Brenners 42x über eine Brennstoffzuführung 44x und ein Regelorgan 46x. Dabei ist festzustellen, dass diese Stellorgane nicht notwendigerweise zur globalen Brennstoffmengenregelung zur ersten Brennkammer 4 herangezogen werden. Im Gegenteil ist mit Vorteil ein Brennstoff-Hauptregelventil in der Zuleitung zum Brennstoff-Verteilsystem 45 vorzusehen, dessen Steuerung von der hier beschriebenen vollkommen entkoppelt ist.

In der dargestellten Ausführungsform werden die Messwerte der Temperaturmesstellen 51x einerseits alle in einen nicht dargestellten Mittelwertbildner geführt, in dem ein Mittelwert T1 der ermittelten Materialtemperaturen gebildet wird. Ebenso wird jeder Messwert einer Temperaturmesstelle 51x zu einem Übertragungsglied 80x geführt, und dort mit dem Mittelwert T1 verglichen. Aus der Differenz des lokalen Messwertes und des Mittelwertes wird eine Stellgrösse gebildet, die auf ein Stellorgan 46x wirkt, und die somit die Brennstoffmenge, die dem jeweiligen Umfangssegment der Brennkammer, im konkreten Fall also dem Brenner 42x, beeinflusst. Wird also festgestellt, dass der lokale Temperaturmesswert der Leitschaufel 51x kleiner als der Temperaturmittelwert ist, so bildet das Übertragungsglied 80x daraus ein Signal, das Stellorgan 46x weiter zu öffnen, wodurch dem Brenner 42x mehr Brennstoff zugeführt wird. Dementsprechend steigt die Heissgastemperatur des Umfangssegmentes der Brennkammer, dem der Brenner 42x zugeordnet ist, und sukzessive wird auch die gemessene Temperatur der Schaufel 51x steigen. Wird eine Temperatur festgestellt, die über dem Mittelwert liegt, so wird das Übertragungsglied 80x ein Signal an das Stellorgan weiterleiten, zu schliessen, und somit die Brennstoffzufuhr zum entsprechenden Umfangssegment verringert, was in einer Abkühlung der Heissgastemperatur in diesem Umfangssegment der Brennkammer führt. Dieser Vorgang wird in jedem Umfangssegment der Brennkammer, das mit einer Temperaturmesstelle und einem zugeordneten Stellorgan für die Brennstoffzufuhr zu diesem Umfangssegment versehen ist, so lange wiederholt, bis eine Vergleichmässigung der Heissgastemperatur respektive der thermischen Belastung der Leitschaufeln in Umfangsrichtung eingetreten ist. Es muss wohl verstanden werden, dass das Übertragungsglied dabei nicht als einfaches Proportionalglied arbeiten darf, sondern auch das dynamische Verhalten des gesamten Regelkreises mit berücksichtigen muss. Das Übertragungsverhalten der Übertragungsglieder 80x kann beliebig komplex sein, und soll im Rahmen der vorliegenden Offenbarung nicht weiter diskutiert werden. Ein Spezialfall des Übertragungsverhaltens der Übertragungsglieder 80x ist, dass diese nur dann eine Aktion auslösen, wenn die lokale Temperatur grösser als der Mittelwert festgestellt wird, also im Regelbereich nur ein Schliessen der Stellorgane veranlassen. Die Regelung wird in diesem Fall immer zu einem Absinken der mittleren Heissgastemperatur führen, die im temperaturgeregelten Betrieb der Gasturbine durch die oben mehrfach zitierte Temperaturregelung nachgeführt wird, und zwar mittels eines Haupt-Brennstoffregelventils, das von den Stellorganen 46x unabhängig ist. Ein Vorteil dieser Betriebsweise ist die inhärente Sicherheit: Da durch die Erfindungsgemässe Regelung der lokalen Temperaturen die Brennstoffzufuhr nicht erhöht wird, können beispielsweise defekte Temperaturmesstellen in den Schaufeln 51x, oder defekte Signalleitungen nicht zu einer lokalen Überfeuerung mit resultierenden Überhitzungsschäden führen. Dennoch muss natürlich auch hier ein Kriterium in den Regelkreis eingebaut werden, wann die Stellorgane 46x wieder zu öffnen sind, da diese natürlich nicht permanent nur immer weiter gedrosselt werden können.

In den folgenden Figuren wird die Realisierung der Erfindung in einer selbstzündenden Brennkammer dargestellt. Zur näheren Erläuterung ist in den Figuren 3 und 4 zunächst ein Segment einer solchen selbstzündenden Brennkammer dargestellt, wie es an sich aus der EP 0 669 500 wohlbekannt ist. Das dargestellte Element kann im weitesten Sinne - im Sinne der oben erfolgten Interpretation des Begriffes - als Brenner bezeichnet werden, da es alle für die Funktion eines Brenners als notwendig erkannten Mittel beinhaltet. Bei dem in Figur 3 in einer Seitenansicht dargestellten Element strömt ein sauerstoffreiches Heissgas 93 in einen Strömungskanal ein, in welchem Strömungskanal wirbelerzeugende Elemente 61 angeordnet sind. In die turbulente Strömung wird durch eine Brennstofflanze 62 ein Brennstoff 8 eingebracht, der in der turbulenten Heissgasströmung vermischt wird. Mit Vorteil ist das einströmende Heissgas 93 auf einer hinreichend hohen Temperatur, damit es zu einer Selbstentzündung des Brennstoffs kommt. Stromab der Brennstofflanze geht der Strömungskanal mit einer sprunghaften Querschnittserweiterung 67 in den Brennraum 63 über. Das Rückströmgebiet, das sich an diesem Querschnittssprung ausbildet, dient zur Stabilisierung der Flammenfront. Die Brennstofflanze 62 ist über eine Brennstoffzuführung 64 mit dem Brennstoff-Verteilsystem 65 der selbstzündenden Brennkammer verbunden. Erfindungsgemäss ist in der Brennstoffzuführung 64 ein Stellorgan 66 eingebaut, das eine individuelle Regelung der Brennstoffmenge erlaubt, die durch die Brennstofflanze dem Heissgas zur Verbrennung zugeführt wird. Fig. 4 zeigt noch eine Frontansicht des Segmentes einer selbstzündenden Brennkammer.

Fig. 5 zeigt die Schnitte Va und Vb aus Fig. 1. Fig. 5a zeigt eine Ansicht der einströmseitigen Stirnseite der selbstzündenden Brennkammer, und Fig. 5b eine Draufsicht auf die erste Leitreihe 71 der zweiten Turbine 7. Aus Figur 5a geht hervor, dass in einer ringförmigen Konfiguration eine Anzahl der in Fig. 3 und 4 dargestellten Elemente nebeneinander angeordnet sind. Da jedes Element, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, einen eigenen Brennraum beinhaltet, kann hier im weiteren Sinne von einer Ring-Rohrbrennkammer gesprochen werden. Der Brennstoff wird über ein ringförmiges Brennstoff-Verteilsystem 65 und Brennstoffzuleitungen 641 - 648 den - hier acht - Brennstofflanzen 621 - 628 zugeführt, wobei wiederum in jeder der Brennstoffzuführungen 64x ein Stellorgan 66x angeordnet ist. Analog zur ersten Brennkammer ist wiederum eine Anzahl von Schaufeln 711 - 718 der ersten Leitreihe 71 der zweiten Turbine mit Temperaturmessstellen versehen. Analog zur oben beschriebenen Wirkungsweise der Temperaturmesstellen in der ersten Leitreihe der ersten Turbine wird auch das Temperatursignal jeder mit einer Temperaturmesstelle versehenen Leitschaufel 71x in einem Übertragungsglied 90x mit einem Temperaturmittelwert T2 der zweiten Brennkammer verglichen, und erforderlichenfalls wird über das Stellglied 66x auf die Brennstoffzufuhr im entsprechenden Umfangssegment eingewirkt. Auf diese Weise werden Umfangsinhomogenitäten der Temperaturverteilung am Turbineneintritt auch in der selbstzündenden Brennkammer ausgeregelt.

Ein weiterer interessanter Aspekt der Erfindung ergibt sich, wenn Leitschaufeln mit - oft ebenfalls durch in der Praxis unvermeidliche Fertigungstoleranzen bedingt - mit stark unterschiedlichen Kühlmittelmassenströmen beaufschlagt werden. Insbesondere dann, wenn die Temperaturmessstellen an den Leitschaufeln mehr zu deren Abströmseite hin orientiert sind, wird eine Schaufel, die "überkühlt" ist - die also deutlich mehr Kühlung erhält als notwendig, gerade auch im Vergleich zu benachbarten Schaufeln - mit einer lokal höheren Heissgastemperatur beaufschlagt. Eine solche Konfiguration resultiert in einer Vergleichmässigung des Umfangstemperaturprofils stromab der ersten Leitreihe, und somit zu einer günstigen gleichmässigen Anströmung der ersten Laufschaufelreihe.

Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist, kommen die Vorteile der Erfindung bei stationären Gasturbinen wie auch bei Flugtriebwerken zum Tragen.

Bezugszeichenliste

1
Rotor
2
Gehäuse
3
Kompressor
4
erste Brennkammer
5
erste Turbine
6
zweite Brennkammer
7
zweite Turbine
8
Brennstoff
41
Plenum
42
Brenner
43
Brennkammer
44
Brennstoffzuleitung
45
Brennstoff-Verteilsystem
51
erste Leitreihe der ersten Turbine
61
Wirbelgeneratoren
62
Brennstofflanze
63
Brennraum
64
Brennstoffzuführung
65
Brennstoff-Verteilsystem
66
Stellorgan
67
Querschnittserweiterung
71
erste Leitreihe der zweiten Turbine
93
Heissgas
421 - 428
Brenner
441 - 448
Brennstoffzuleitungen
461 - 468
Stellorgane
511 - 518
mit Temperatursensoren bestückte Leitschaufeln der ersten Turbine
621 - 628
Brennstofflanzen
641 - 648
Brennstoffzuleitungen
661- 668
Stellorgane
711 - 718
mit Temperatursensoren bestückte Leitschaufeln der zweiten Turbine
801 - 808
Übertragungsglieder
901 - 908
Übertragungsglieder
T1
Temperaturmittelwert der Messtellen in der ersten Brennkammer
T2
Temperaturmittelwert der Messtellen in der zweiten Brennkammer


Anspruch[de]
  1. Gasturbinenbrennkammer mit ringförmiger Konfiguration, bei welcher Gasturbinenbrennkammer auf einer einströmseitigen Stirnseite eine Mehrzahl von Mitteln zur Brennstoffeinbringung (42, 62) in ein Arbeitsmedium, zur Vermischung des Brennstoffs (42, 61) mit dem Arbeitsmedium und zur Stabilisierung einer Flamme (42, 67) am Umfang verteilt sind, bei welcher Gasturbinenbrennkammer weiterhin auf einer der einströmseitigen Stirnseite gegenüberliegenden abströmseitigen Stirnseite eine Mehrzahl von Leitschaufeln (51, 71) am Umfang angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl dieser Leitschaufeln (511 - 518, 711 - 718) mit Mitteln zur Temperaturmessung versehen sind, und wobei eine Brennstoffzuleitung (44,64) derjenigen Mittel zur Brennstoffeinbringung, oder eine gemeinsame Brennstoffzuleitung derjenigen Gruppe von benachbarten Mitteln zur Brennstoffeinbringung, welche in einer Strömungsrichtung der Brennkammer jeweils einer mit Temperaturmessung versehenen Leitschaufel gegenüberliegt, mit einem Stellorgan (46x, 66x) zur Regulierung der Brennstoffmenge versehen ist, welches Stellorgan der jeweiligen Temperaturmessstelle zugeordnet ist.
  2. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelwert der an den Leitschaufeln gemessenen Temperaturen gebildet wird, dass die Abweichung jeder lokal gemessenen Temperatur von diesem Temperaturmittelwert ermittelt wird, und dass, wenn eine lokal an einer Temperaturmessstelle gemessene Temperatur über dem Temperaturmittelwert liegt, das dieser Temperaturmessstelle zugeordnete Stellorgan so um einen Betrag verstellt wird, dass die dieses Stellorgan durchfliessende Brennstoffmenge verringert wird, und dass, wenn eine lokal an einer Temperaturmessstelle gemessene Temperatur unter dem Temperaturmittelwert liegt, das dieser Temperaturmessstelle zugeordnete Stellorgan so um einen Betrag verstellt wird, dass die dieses Stellorgan durchfliessende Brennstoffmenge erhöht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Mittel zur Temperaturmessung auf einer Abströmseite der Leitschaufeln angeordnet sind, dergestalt, dass mittels der lokalen Brennstoffmengenregelung die Heissgastemperatur stromab der Leitreihe vergleichmässigt wird.






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