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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Gasturbinenbrenner zum Verbrennen von vorgemischtem
Kraftstoff in einem kraftstoffarmen Zustand, der durch Zuführen von
Luft zum Kraftstoff erhalten wird, und ein Betriebsverfahren dafür, und genauer,
auf einen Gasturbinenbrenner, der in der Lage ist, die Konzentration
von in dem Abgas der Gasturbine enthaltenen NOx wirksam zu vermindern
und ein Betriebsverfahren dafür.
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Im Allgemeinen weist ein Gasturbinenkraftwerk
eine Mehrzahl von Gasturbinenbrennern auf, die zwischen einem Luftverdichter
und einer Gasturbine angeordnet sind, und erzeugt mittels der Gasturbinenbrenner
ein Brenngas, indem Kraftstoff aus dem Luftverdichter ausgeleiteter
verdichteter Luft zugeführt
wird. Das Brenngas wird in die Gasturbine geführt und es erfolgt eine Expansionsarbeit
und ein Generator wird angetrieben, indem das mittels der Expansionsarbeit
erzeugte Drehmoment ausgenutzt wird.
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Jüngste
Gasturbinenkraftwerke müssen
höhere
Leistungen erzeugen und zusätzlich
einen erhöhten
Kraftstoffwirkungsgrad aufweisen und zu diesem Zweck wird die Temperatur
des Brenngases an dem Gasturbineneinlass erhöht, um die Leistung der Gasturbine
durch Erhöhung
der Temperatur des von dem Gasturbinenbrenner erzeugten Brenngases
zu vergrößern.
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Der Gasturbinenbrenner ist durch
die Erhöhung
der Brenngastemperatur am Gasturbineneinlass jedoch verschiedenen
Einschränkungen
unterworfen und eine von ihnen liegt in einem Umweltproblem bezüglich einer
NOx-Konzentration.
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Die NOx-Konzentration hängt direkt
von der Temperaturerhöhung
des Brenngases ab, und je mehr die Temperatur des Brenngases erhöht wird, um
so mehr nimmt seine Konzentration zu. Das heißt, wenn das Brenngas durch
ein Gemisch von Kraftstoff und Luft erzeugt wird, nimmt die Temperatur
des Brenngases stärker
zu, wenn ein Äquivalentverhältnis (Verhältnis eines
Kraftstoffdurchsatzes zu einem Luftströmungsdurchsatz) sich einem
Wert von 1 nähert,
und der in der Luft enthaltene Stickstoff wird durch die Wirkung
der Reaktionshitze, die aus der Temperaturerhöhung resultiert, in einem größeren Ausmaß an Sauerstoff
gebunden, wodurch die NOx-Konzentration
zunimmt.
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In dem Gasturbinenbrenner ist ein
Magervormischbrennsystem als ein Verfahren zum Absenken der Erzeugung
von NOx erhältlich,
das Kraftstoff in einem kraftstoffarmen Zustand verbrennt, indem
vorher Luft mit Kraftstoff vermischt wird. Da bei einem solchen
Verbrennungssystem der Kraftstoff selbst bereits in einen mageren
Zustand gebracht wurde, wenn ein Brenngas erzeugt wird, kann die
Spitzentemperatur des Brenngases im Vergleich mit einem herkömmlichen
Diffusionsbrennsystem unterdrückt werden
und es kann gewöhnlich
ein NOx-Absenkungsverhältnis
von etwa 20% erzielt werden.
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Wie in 19 gezeigt
ist es bei dem Magervormischverbrennungssystem jedoch schwierig,
das Äquivalentverhältnis zu
steuern, wenn das Brenngas erzeugt wird. Wenn das Äquivalentverhältnis niedrig ist,
wird der Verbrennungswirkungsgrad vermindert und die Erzeugung unverbrannter
Komponenten, wie CO, UHC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) usw. wird
vergrößert, und
manchmal entsteht ein Flammenausblasphänomen, wohingegen, wenn das Äquivalentverhältnis hoch
ist, die Menge an erzeugtem NOx plötzlich zunimmt. Folglich ist
der Bereich des Brennbetriebs, in dem ein niedriger NOx-Zustand über eine
lange Zeitdauer stabil aufrecht erhalten werden kann, sehr schmal.
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In neuerer Zeit wurden zahlreiche
Verbrennungssysteme vorgeschlagen, die eine Diffusionsverbrennung
und eine Vormischverbrennung gleichzeitig als eine Technologie verwenden,
die das Magervormischverbrennungssystem weiter entwickelt; die Systeme
sind derart angeordnet, daß eine
Diffusionsverbrennungszone am Kopfbereich einer Brennkammer ausgebildet
ist, eine Vormischverbrennungszone an der stromabwärtigen Seite
der Diffusionsverbrennungszone ausgebildet ist, ein diffundiertes
Brenngas erzeugt wird, indem der Kraftstoff in die Diffusionsverbrennungszone
eingebracht wird, und ein vorgemischtes Brenngas erzeugt wird, indem
der vorgemischte Kraftstoff in die Vormischverbrennungszone eingebracht
wird. Eines solcher Diffusions/Vormischverbrennungssysteme ist in
der japanischen, offengelegten Patentveröffentlichung Nummer HEI 7-19482
beschrieben.
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Die bekannte Technologie vermindert
das NOx weiter, indem Pilotkraftstoff zum Aufrechterhalten der Flamme
teilweise vorgemischt wird, um dadurch die diffundierte Verbrennung
zu vermindern, durch die eine Menge an NOx erzeugt wird, zusätzlich dazu,
dass der Hauptkraftstoff zum Erzeugen des Brenngases zum Antreiben
der Gasturbine vorgemischt wird.
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Wie in 18 dargestellt,
ist ein Gasturbinenbrenner gemäß der bekannten
Technologie derart aufgebaut, dass eine Diffusionsverbrennungszone 2 an
dem Kopfbereich in einem inneren Zylinder 1 des Brenners
ausgebildet ist, eine Vormischverbrennungszone 3 stromabwärts der
Diffusionsverbrennungszone 2 ausgebildet ist, und eine
Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 6 zum Einbringen eines
Pilotkraftstoffes A an der Diffusionsverbrennungszone 2 angeordnet
ist, und eine Hauptkraftstoffeinspritzeinheit 16 zum Einbringen
eines Hauptkraftstoffes C an der Vormischverbrennungszone 3 angeordnet
ist.
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Die Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 6 enthält eine
Diffusionsbrenndüseneinheit 4 im
Zentrum des inneren Zylinders 1 des Brenners und eine Vormischbrenndüseneinheit 5 an
ihrer Außenseite.
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Die Diffusionsbrenndüseneinheit 4 ist
in eine erste Diffusionsbrenndüseneinheit 7 zum
Einbringen eines Kraftstoffes a1 in die Diffusionsverbrennungszone 2 zum
Aufrechterhalten einer Flamme, solange eine niedrige Last an der
Gasturbine liegt, und eine zweite Diffusionsbrenndüseneinheit 8 zum
Einbringen von Kraftstoff a2 in die Diffusionsverbrennungszone 2 zum
Aufrechterhalten der Flamme anstelle der ersten Diffusionsbrenndüseneinheit 7,
wenn eine mittelgroße
Last an der Gasturbine liegt, unterteilt. Weiter ist in der Diffusionsbrenndüseneinheit 4 ein Luftdurchlass 9 derart
ausgebildet, dass er die erste und die zweite Diffusionsbrenndüseneinheiten 7 und 8 konzentrisch
umgibt, und an dem Auslassende des Luftdurchlasses 9 ist
eine Verwirbelungseinrichtung 10 angeordnet, um dadurch
dem Kraftstoff in a1 und a2, die aus der ersten und der
zweiten Diffusionsbrenndüseneinheit 7 eingespritzt
werden, eine wirbelnde Strömung
zu erteilen, so dass in der Diffusionsverbrennungszone 2 eine
umlaufende Strömung ausgebildet
wird, um die Flamme sicherer aufrecht zu erhalten.
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Die Vormisch/Diffusionsbrenndüseneinheit 5,
die außerhalb
der Diffusionsbrenndüseneinheit 4 angeordnet
ist, ist derart angeordnet, dass, wenn ein Kraftstoff b, der als
Brenngas zum Antreiben der Gasturbine sowie als Brenngas zum Aufrechterhalten
der Flamme verwendet wird, in die Diffusionsverbrennungszone 2 durch
einen Verteiler 11 hindurch zugeführt wird, die Düseneinheit 5 den
Kraftstoff b mit der von der Verwirbelungseinrichtung 12 zugeführten verwirbelten
Luft in einer Vormischzone 13 vermischt und ihn in die
Diffusionsverbrennungszone 2 als vorgemischten Kraftstoff
in einem mageren Kraftstoffzustand einspritzt, und wenn der vorgemischte
Kraftstoff eingespritzt wird, wird dieser zu einer umlaufenden Strömung geformt,
die größer ist
als die umlaufende Strömung
in der ersten und zweiten Diffusionsbrenndüseneinheit 7 und 8.
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Die Hauptkraftstoffeinspritzeinheit 16 zum Einbringen
von Kraftstoff c in die Vormischverbrennungszone 3 dagegen
ist aus einer Hauptkraftstoffdüseneinheit 14 und
einer Vormischleitung 15 zusammengesetzt, und wenn der
Kraftstoff c aus der Hauptkraftstoffdüseneinheit 14 durch
einen Verteiler 18 hindurch eingespritzt wird, mischt die
Hauptkraftstoffeinspritzeinheit 16 den Kraftstoff c mit
der komprimierten Luft 17 aus einem nicht dargestellten
Luftkompressor in der Vormischleitung 15 und spritzt den Kraftstoff c als
einen vorgemischten Kraftstoff in einem mageren Kraftstoffzustand
in die Vormischverbrennungszone 3 ein, um dadurch ein Brenngas
zum Antreiben der Gasturbine zu schaffen, wobei das Brenngas der
Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 6 als eine Pilotflamme
verwendet wird.
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Wie in 19 dargestellt,
wird ein Verfahren zum Einbringen und Verteilen des aus der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 6 eingespritzten
Kraftstoffes in der Diffusionsverbrennungszone 2 und des
aus der Hauptkraftstoffeinspritzeinheit 16 eingespritzten Kraftstoffes
in der Vormischverbrennungszone 3 derart durchgeführt, dass
während
die Last der Gasturbine, die in einem Anlaufbetrieb ist, Null beträgt, der Kraftstoff a1 der
ersten Diffusionsbrenndüseneinheit 7 in
die Diffusionsverbrennungszone 2 eingebracht wird. Wenn
die Gasturbine bei fehlender Last mit 100% dreht, werden der Kraftstoff
a2 der zweiten Diffusionsbrenndüseneinheit 8 und
der Kraftstoff b der Vormisch/Diffusionsbrenndüseneinheit 5 gleichzeitig in
die Diffusionsverbrennungszone 2 eingebracht. Wenn die
Gasturbine sich in einem mittleren Lastzustand befindet, wird das
Einbringen von Kraftstoff a1 der ersten Diffusionsbrenndüseneinheit 7 gestoppt und
der Kraftstoff c der Hauptkraftstoffeinspritzeinheit 16 wird
in die Vormischverbrennungszone 3 anstelle davon eingebracht.
Wenn die Last der Gasturbine 100% beträgt, wird das Verhältnis des
Kraftstoffes c zu dem gesamten Kraftstoffdurchsatz auf 70% bis 80%
eingestellt. Weiter sei bemerkt, dass der Kraftstoff a2 der zweiten
Diffusionsbrenndüseneinheit 8 zu
dieser Zeit klein ist, beispielsweise 2% bis 5%, die bezüglich des
gesamten Kraftstoffdurchsatzes eingestellt werden, und sichergestellt
ist, dass die Flamme aufrechterhalten wird.
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Wie vorstehend beschrieben, unterdrücken die
herkömmlichen
Gasturbinenbrenner die Entstehung von NOx durch teilweises Vormischen
des aus der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 6 in die Diffusionsverbrennungszone 2 als
die Flamme aufrechterhaltendes Brenngas eingespritzten Kraftstoffes,
indem ein Augenmerk auf die Diffusionsverbrennung gerichtet wird,
durch die eine große
Menge des NOx erzeugt wird.
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Da die neueren Gasturbinenkraftwerke
eine Leistung und einen thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine
anstreben, die höher
als die derzeitig erreichten sind, ist jedoch eine Gegenmaßnahme zum Vermindern
des NOx umso mehr erforderlich, um der Erhöhung der Brenngastemperatur
zu begegnen. Um eine NOx-Konzentration aufrechtzuerhalten, die über den
gesamten Betriebsbereich von Niederlastbetrieb bis zu 100% Lastbetrieb
der Gasturbine niedriger ist als die durch die derzeitige Gesetzgebung vorgeschriebene,
ist es erforderlich, einen Gasturbinenbrenner zu entwickeln, der
die Konzentration des in der Diffusionsverbrennung erzeugten NOx
weiter vermindert.
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Obwohl der herkömmliche Gasturbinenbrenner
gemäß 18 das Vormischen der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit
teilweise ausführt,
ist dies in der Entwicklung der Vormischung der ersten Diffusionsbrenndüseneinheit 7 und
der zweiten Diffusionsbrenndüseneinheit 8 mit
Schwierigkeiten verbunden. Dies liegt daran, dass, da die erste
Diffusionsbrenndüseneinheit 7 und
die zweite Diffusionsbrenndüseneinheit 8 vorgesehen
sind, um das Brenngas für
die Flamme stabil sicher zu stellen, wenn das Vormischen an diesen
Einheiten durchgeführt
wird, ein großer
Einfluß erzeugt
wird, durch den die Flamme ausgeblasen wird. Wenn diffundierter,
bzw. zerstreuter Kraftstoff einer einzigen großen Brennkammer mit kleinem
Durchsatz zugeführt
wird, wird eine Diffusionsverbrennungszone durch die große Störung der Vormischverbrennungszone 3 für die vorgemischte Pilotflamme
und die vorgemischte Hauptflamme gestört, wodurch die Flammen unstabil
und ausgeblasen werden.
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Es ist notwendig, eine Steuerung
derart auszuführen,
dass bei Abschalten der Last der vorgemischte Kraftstoff abgeschaltet
wird, und der diffundierte bzw. zerstreute Kraftstoff, der auf eine
kleine Menge beschränkt
ist, entsprechend vergrößert wird. Da
der Durchsatz des diffundierten Kraftstoffes aufgrund des Volumens
der Leitung von einem Steuerventil zu einem Diffusionsdüseneinspritzventil
nicht unmittelbar vergrößert wird,
wird eine vorgemischte Flamme durch Verminderung des vorgemischten Kraftstoffes,
bevor dessen Durchsatz vergrößert wird,
jedoch fehlzünden,
nimmt eine zugeführte
Luftmenge augenblicklich zu und vermindert sich das Luft/Kraftstoffverhältnis in
der Diffusionsverbrennungseinheit. Gleichzeitig wird eine Störung von
kaltem Gas ebenso in der Diffusionsverbrennungszone durch das Fehlzünden der
vorgemischten Flamme verursacht und die Diffusionsflamme wird ausgeblasen.
Wenn der Diffusionskraftstoff zur Verminderung des NOx vermindert
wird, kann es folglich zu einem Ausblasen kommen, das sowohl im
normalen Betrieb als auch bei Abschalten der Last verursacht werden kann.
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Obwohl eine Mehrzahl von Gasturbinenbrennern,
beispielsweise 8 Sätze,
zwischen dem Luftverdichter und der Gasturbine angeordnet sind,
ist für
jeweils einen oder zwei von ihnen eine Zündeinrichtung vorgesehen und
die von der Zündung
der Zündeinrichtung
erzeugte Flamme schreitet sequentiell zu den anderen Gasturbinenbrennern
fort. Selbst wenn eine Brennkammer im Zentrum der Gasturbine mit
einer kleinen Abmessung unterteilt ist und ihr Kraftstoff zugeführt wird
und gezündet
wird, erlangt in diesem Fall nur das Zentrum der Gasturbine von
der entstehenden Flamme eine hohe Temperatur, und die Flamme schreitet
durch ein Flammenfortschreitrohr nicht genügend fort, so dass auf diese
Weise das Fortschreiten der Flamme zu den anderen Gasturbinenbrennern
verzögert
ist.
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Aus der
US 5,054,280 ist ein Gasturbinenbrenner
bekannt, der enthält
eine zweitstufige Brennkammer, die im Wesentlichen im Zentrum des
gesamten Brenners angeordnet ist, und eine erststufige Brennkammer,
die um den inneren Umfang eines stromaufwärtigen Endbereiches der zweitstufigen Brennkammer
angeordnet ist. Um den Umfang eines stromaufwärtigen Endbereiches einer Brennerauskleidung
ist eine Auskleidungskappe angeordnet und eine Hilfsauskleidungskappe
ist innerhalb des Umfangs der Auskleidungskappe in koaxialer Beziehung angeordnet.
Die Hilfsauskleidungskappe erstreckt sich in einer abwärtigen Richtung
und eine zweitstufige Vormischhülse
erstreckt sich in die zweitstufige Brennkammer in deren stromabwärtiger Richtung. Ein
zweitstufiges Kraftstoffversorgungsrohr erstreckt sich durch die
zweitstufige Vormischhülse
und eine Mehrzahl von zweitstufigen Kraftstoffdüsen ist an einem Zwischenbereich
des zweitstufigen Kraftstoffzufuhrrohrs angeordnet, während an
einem stromabwärtigen
Endbereich des selben eine Wirbelvorrichtung befestigt ist. Eine
Mehrzahl von erststufigen Kraftstoffdüsen erstreckt sich in einen
ringförmigen Luftdurchlass,
der durch die Auskleidungskappe und die Hilfsbrennerkappe gebildet
ist, und eine Mehrzahl von Hilfsbrennern ist an der Verbindung zwischen
der Hilfsbrennerkappe und der zweitstufigen Vormischhülse befestigt.
Mit einer solchen Struktur wird, wenn der Hilfsbrenner gefeuert
wird, die erststufige Brennflamme in der erststufigen Brennkammer
gebildet und die zweitstufige vorgemischte Flamme wird in dieser
Wirbelvorrichtung gehalten, wodurch in der zweitstufigen Brennkammer
eine Flamme gebildet wird. In einem solchen Zustand geht, wenn die
Hilfsbrennerflamme erlischt, der Flammenhalteeffekt innerhalb der
erststufigen Brennkammer verloren und die erststufige Verbrennungsflamme
strömt
in stromabwärtiger
Richtung. Diese Flamme wird in der zweitstufigen Brennkammer gehalten
und strömt
zu der zweitstufigen Verbrennungsflamme und erfährt dort eine vorgemischte
Verbrennung.
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Die EP-A 039336 beschreibt einen
Brenner, der enthält
eine erste Vormischzufuhrvorrichtung, die in einem Zentralbereich
einer Brennkammer angeordnet ist, die insgesamt konzentrisch zu
einem Verbrennungszylinder angeordnet ist, und eine zweite Vormischzufuhrvorrichtung,
die neben einem äußeren Umfang
der ersten Vormischzufuhrvorrichtung angeordnet ist. Die erste Vormischzufuhrvorrichtung ist
betätigbar,
wenn der Brenner unter hoher Last ist, und die zweite Vormischzufuhrvorrichtung
ist betreibbar, wenn der Brenner unter niederer Last ist. Das Verfahren
zum Betreiben des Brenners ist derart, dass die äußere Vormischzufuhrvorrichtung
in einem Niederlastbereich betreibbar ist, während die innere und äußere Vormischzufuhrvorrichtungen
in einem Hochlastbereich über
einer vorbestimmten Last betreibbar sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine Primäraufgabe der vorliegenden Erfindung
liegt darin, einen Gasturbinenbrenner und ein Verfahren zu dessen
Betreiben zu schaffen, bei dem ein Kraftstoff vorgemischt wird,
indem die Diffusionsverbrennung minimiert wird, durch die das NOx
in einer hohen Konzentration erzeugt wird, und wobei eine Flamme
durch das Vormischen sichergestellt wird, so dass das NOx in ausreichendem
Maße vermindert
wird, selbst wenn die Temperatur eines Brenngases durch Vergrößerung der
Leistung der Gasturbine erhöht
wird.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung liegt darin, einen Gasturbinenbrenner und ein Verfahren
zu dessen Betreiben zu schaffen, wobei eine Flamme rasch zu allen
Gasturbinenbrennern fortschreitet, wenn Kraftstoff gezündet wird,
und sichergestellt ist, daß die
von einer Pilotkraftstoffeinspritzeinheit erzeugte Flamme nur durch
Vormischverbrennung durch Ausschalten der Diffusionsverbrennung
mit einem hohen NOx-Erzeugungsverhältnis sichergestellt ist, wenn
eine 100%-Last besteht oder wenn eine Last abgeschaltet wird.
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Diese und andere Aufgaben werden
entsprechend der vorliegenden Erfindung gelöst, indem ein Gasturbinenbrenner
geschaffen wird, der enthält:
einen äußeren Zylinder;
einen
inneren Brennerzylinder, der innerhalb des äußeren Zylinders angeordnet
ist;
eine Brennkammer, die in dem inneren Brennerzylinder ausgebildet
ist;
eine Pilotkraftstoffeinspritzeinheit, die an einem Kopfseitenbereich
der Brennkammer angeordnet ist,
welche Pilotkraftstoffeinspritzeinheit
eine erste Vormischbrendüseneinheit,
eine Diffusionsbrenndüseneinheit
und eine zweite Vormischbrenndüseneinheit aufweist,
wobei
die erste Vormischbrenndüseneinheit
an einem zentralen Bereich des Kopfseitenbereichs der Brennkammer
angeordnet ist, die Diffusionsbrenndüseneinheit derart angeordnet
ist, dass sie eine Außenseite
der ersten Vormischbrenndüseneinheit
koaxial umgibt, und die zweite Vormischbrenndüseneinheit derart angeordnet
ist, dass sie eine Außenseite der
Diffusionsbrenndüseneinheit
koaxial umgibt; und
eine Vormischbrennkammer, die an einer
Auslassseite der ersten Vormischbrenndüseneinheit derart angeordnet
ist, dass sie mit der Brennkammer verbunden ist, wobei die Vormischbrennkammer
strömungsabwärts der
Brennkammer angeordnet ist, so dass nur Kraftstoff und Luft von
der ersten Vormischbrenndüseneinheit
darin verbrannt wird.
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In bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gemäß dem vorstehenden
Aspekt, kann weiter eine Hauptvormischkraftstoffeinspritzeinheit
an der Außenseite
der zweiten Vormischbrenndüseneinheit
angeordnet sein.
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Zumindest zwei Sätze der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit
sind an dem Kopfseitenbereich der Brennkammer angeordnet, wobei
jede der Pilotkraftstoffeinspritzeinheiten aus einer ersten Vormischbrenndüseneinheit,
der Diffusionsbrenndüseneinheit und
der zweiten Vormischbrenndüseneinheit
zusammengesetzt ist und mit der Vormischbrennkammer versehen ist,
die an der Auslassseite der ersten Vormischbrenndüseneinheit
angeordnet ist.
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Die an der Auslassseite der ersten
Vormischbrenndüseneinheit
angeordnete Vormischbrennkammer ist derart ausgebildet, dass sie
eine konkave oder eine konische Gestalt hat. Die Vormischbrennkammer
hat einen stufenförmigen
Ausschnitt.
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Die Vormischbrennkammer hat Einspritzlöcher, die
mit einem Durchlass für
verdichtete Luft in Verbindung stehen, der die Vormischbrennkammer umgibt.
Die Vormischbrennkammer hat eine Wandoberfläche, die aus einem von Keramik
und einem Keramik-Faser-verstärkten
Verbundmaterial zusammengesetzt ist. Die Vormischbrennkammer hat
vorstehende Teile, die integral mit der Wandoberfläche ausgebildet
sind. Die Vormischbrennkammer ist mit einem Katalysator versehen.
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Die Diffusionsbrenndüseneinheit,
die die Außenseite
der ersten Vormischbrenndüseneinheit
koaxial umgibt, hat ein Kraftstoffeinspritzloch, das in einer zu
einem Flammenfortschreitrohr zeigenden Richtung angeordnet ist,
welches Rohr in der Brennkammer angeordnet ist.
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Die erste Vormischbrenndüseneinheit
hat eine Antriebseinheit zum Bewegen einer ersten Kraftstoffdüse, die
in einem ersten Durchlass zum Vormischen von vorgemischtem Gas aufgenommen ist,
der derart ausgebildet ist, dass er die erste Vormischbrenndüse umgibt,
so dass sie in ihrer axialen Richtung frei vor- und rückbewegbar
ist. Die Antriebseinheit ist ein Motor, ein manueller Handgriff
oder ein hydraulischer Mechanismus.
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Entsprechend einem weiteren Aspekt
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines
erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners
zum Antreiben einer Gasturbine mittels einer vorgemischten Flamme
geschaffen, die von wenigstens einer oder mehreren einer ersten
Vormischbrenndüseneinheit,
einer zweiten Vormischbrenndüseneinheit
und einer Hauptkraftstoffdüseneinheit
erzeugt wird, während
die Gasturbine in einem Nennlastbetrieb ist, welches Verfahren die
Schritte enthält:
Antreiben
der Gasturbine nur durch die vorgemischte Flamme, die von der ersten
Vormischbrenndüseneinheit
erzeugt wird, wenn eine Last der Gasturbine abgeschaltet wird; und
nachfolgendes
Wiederstarten der Gasturbine durch Hinzufügen von Flammen, die von einer
Diffusionsbrenndüseneinheit
und der zweiten Vormischbrenndüseneinheit
erzeugt werden.
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Entsprechend den Strukturen und Eigenschaften
der vorstehend genannten Strukturen und Eigenschaften der vorstehend
genannten vorliegenden Erfindung kann, da die Pilotkraftstoffeinspritzeinheit,
die an dem kopfseitigen Bereich (Verteiler) der Brennkammer angeordnet
ist, aus der ersten Vormischbrenndüseneinheit, der Diffusionsbrenndüseneinheit
und der zweiten Vormischbrenndüseneinheit in
deren koaxialer Anordnung auf der Kopfseite zusammengesetzt ist,
die erste vorgemischte Flamme, die von der ersten Vormischbrenndüseneinheit
erzeugt wird, stabil brennen und die Konzentration des NOx kann
auf einen niedrigen Wert gedrückt
werden.
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Da die Diffusionsbrenndüseneinheit
außerhalb
der ersten Vormischbrenndüseneinheit
in dem Gasturbinenbrenner angeordnet ist, kann die Diffusionsflamme
prompt und sicher fortschreiten, wenn sie, von der Diffusionsbrenndüseneinheit
erzeugt, zu den anderen Gasturbinenbrennern durch das Flammenfortschreitrohr
fortschreitet.
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Da die Temperatur des Brenngases
sowie der Brennflamme erhöht
wird, indem die Hauptvormischkraftstoffeinspritzeinheit mit der
Pilotkraftstoffeinspritzeinheit kombiniert wird, kann die Leistung
der Gasturbine vergrößert werden.
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Da die Mehrzahl der Pilotkraftstoffeinspritzeinheiten
an dem Kopfseitenbereich der Brennkammer angeordnet sein kann, kann
die Temperaturverteilung der Brenngase wie der Flamme in der Brennkammer
gleichmäßig gemacht
werden und das Auftreten von Schwingungen aufgrund der Verbrennung kann
unterdrückt
werden.
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Da der Ausschnitt in der Vormischbrennkammer
an dem Auslass der ersten Vormischbrenndüseneinheit ausgebildet ist
und das Auftreten von Schwingungen aufgrund der Verbrennung unterdrückt, indem
die Adhäsionskraft
von durch den Ausschnitt erzeugten Wirbeln genutzt wird, kann die
vorgemischte Flamme in stabiler Weise sichergestellt werden.
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Da die Vormischbrennkammer am Auslass der
ersten Vormischbrenndüseneinheit
ausgebildet ist, so dass die konische Gestalt geschaffen wird und der
Druck der in der Vormischbrennkammer erzeugten Flamme erhalten wird,
kann die Zickzackbewegung der vorgemischten Flamme sicher verhindert werden.
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Da die Einspritzlöcher in der Wandoberfläche der
Vormischbrennkammer am Auslass der ersten Vormischbrenndüseneinheit
ausgebildet sind und die Wandoberfläche von der verdichteten Luft
aus dem Durchlass für
verdichtete Luft gekühlt
wird, kann verhindert werden, dass die Wandoberfläche von
der vorgemischten Flamme verbrannt wird.
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Da die Wandoberfläche der an dem Auslass der
ersten Vormischbrenndüseneinheit
ausgebildeten Vormischbrennkammer aus Keramik oder Keramik-Faser-verstärktem Verbundmaterial
im Hinblick auf die hohen Temperaturen ausgebildet ist, kann das
Entstehen von unverbranntem Kraftstoff vermindert werden.
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Da die Antriebseinheit für die erste
Kraftstoffdüse
der ersten Vormischbrenndüseneinheit
vorgesehen ist und das Volumen der Vormischbrennkammer entsprechend
den Betriebszuständen
durch Vorwärtsbewegen
oder Rückwärtsbewegen
der ersten Kraftstoffdüse
in axialer Richtung durch die Antriebskraft der Antriebseinheit
eingestellt werden kann, kann das Schwingen aufgrund der Verbrennung,
die auf Basis der Zunahme oder Abnahme der Kraftstoffe, wenn sich
der Betriebszustand ändert,
erzeugt wird, unterdrückt
werden.
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Da der Katalysator für die Brennkammer
vorgesehen ist, die an dem Auslass der ersten Vormischbrenndüseneinheit
ausgebildet ist, kann der Verbrennungsgrenzwert des vorgemischten
Gases und der Grenzwert, an dem kein CO erzeugt wird, abgesenkt
werden, wodurch die Konzentration an erzeugtem NOx auf einen niedrigen
Wert gedrückt
werden kann. Weiter kann entsprechend dem Betriebsverfahren des
erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners
die vorgemischte Flamme, die von der Vormischbrennkammer der ersten
Vormischbrenndüseneinheit
erzeugt wird, kontinuierlich sichergestellt werden, selbst wenn
die Last der Gasturbine abgeschaltet wird, so dass der Nennlastbetrieb
rascher wiederhergestellt werden kann, als bei dem konventionellen
Verfahren, indem die Wiederanlaufzeit der Gasturbine verkürzt wird.
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Die Natur und weitere charakteristische Merkmale
der vorliegenden Erfindung werden aus den nachfolgenden Beschreibungen
klarer, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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In den beigefügten Zeichnungen stellen dar:
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1 eine
schematische Schnittansicht, teilweise ausgeschnitten, einer ersten
Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners;
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2 eine
teilweise vergrößerte Ansicht
der 1;
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3 eine
grafische Darstellung, die die Stabilität der Flamme aus der Beziehung
zwischen einem Durchsatz eines diffundierten Kraftstoffes und einem
Durchsatz der Flamme in einem Nennlastbetrieb beschreibt;
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4 eine
grafische Darstellung, die eine Temperaturverteilung der Flamme
aus der Beziehung zwischen der Position eines Kraftstoffeinspritzloches
einer Diffusionskraftstoffdüseneinheit
und einem Flammenfortschreitrohr beschreibt;
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5 eine
schematische Schnittansicht, teilweise ausgeschnitten, einer zweiten
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners;
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6 eine
schematische Schnittansicht, teilweise ausgeschnitten, einer dritten
Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners;
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7 eine
schematische Teilschnittansicht eines ersten Beispiels eines Gasturbinenbrenners entsprechend
jeder der vorgenannten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
schematische Teilschnittansicht eines zweiten Beispiels eines Gasturbinenbrenners entsprechend
den vorgenannten Ausführungsformen;
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9 eine
schematische Teilschnittansicht eines dritten Beispiels eines Gasturbinenbrenners entsprechend
den vorgenannten Ausführungsformen;
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10 eine
schematische Schnittansicht, die teilweise ein viertes Ausführungsbeispiel
eines Gasturbinenbrenners entsprechend den vorgenannten Ausführungsformen
zeigt;
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11 eine
grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen einer Last, einem Äquivalentverhältnis eines
vorgemischten Gases und einer Konzentration von unverbranntem Kraftstoff
zeigt;
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12 eine
grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Last, einem Äquivalentverhältnis eines
gemischten Gases, einem Äquivalentverhältnis eines
-
diffundierten Kraftstoffes, eine
Konzentration an unverbranntem Kraftstoff und einer NOx-Konzentration
zeigt;
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13 eine
schematische Schnittansicht, die teilweise ein fünftes Beispiel eines Gasturbinenbrenners
entsprechend den vorgenannten Ausführungsformen zeigt;
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14 eine
vordere Draufsicht, gesehen aus Richtung des durch die Linie XIV-XIV in 13 gezeigten Pfeils;
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15 eine
schematische Schnittansicht, die teilweise ein sechstes Beispiel
eines Gasturbinenbrenners entsprechend den vorstehenden Ausführungsformen
zeigt;
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16 eine
schematische Schnittansicht, die teilweise ein siebtes Beispiel
eines Gasturbinenbrenners entsprechend den vorgenannten Ausführungsformen
zeigt;
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17 eine
Ansicht, die die Ladung und Verteilung von Kraftstoff in einem Betriebsverfahren
eines Gasturbinenbrenners entsprechend der vorliegenden Erfindung
beschreibt;
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18 eine
schematische Schnittansicht, teilweise ausgeschnitten, die eine
Ausführungsform eines
herkömmlichen
Gasturbinenbrenners zeigt;
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19 eine
grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem Äquivalentverhältnis, einer
NOx-Konzentration und einer CO-Konzentration zeigt; und
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20 eine
Ansicht, die die Ladung und Verteilung von Kraftstoff in einem herkömmlichen
Gasturbinenbrenner zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Ausführungsformen des Gasturbinenbrenners
und eines Verfahrens zu seinem Betreiben entsprechend der Erfindung
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine schematische Schnittansicht, teilweise ausgeschnitten, die
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners
zeigt.
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Der Gasturbinenbrenner, dessen Gesamtheit
mit dem Bezugszeichen 20 belegt ist, ist als eine mehrfach
zylindrische Struktur ausgebildet, die einen inneren Brennerzylinder 22 hat,
der von einem äußeren Brennerzylinder 21 umgeben
ist.
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Der innere Brennerzylinder 22 erstreckt
sich in axialer Richtung und weist eine in ihm ausgebildete zylindrische
Brennkammer 23 auf mit einer Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24,
die in dem Kopfbereich 24 angeordnet ist, und einem endseitigen
Brennerzylinder 26, der mit einer Gasturbinenschaufel 25 kommuniziert
und stromabwärts
der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 angeordnet ist.
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Der innere Brennerzylinder 22 und
der endseitige Brennerzylinder 26 sind gebildet, indem
sie von einer Strömungshülse 27 um
ihre Außenseite
herum umgeben sind, und ein Luftdurchlass 28 beziehungsweise
Kanal ist durch die Strömungshülse 27 gebildet.
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Der Luftdurchlass 28 führt die
verdichtete Luft 30a aus einem Luftverdichter 30 durch
Luftlöcher 29,
die in der Strömungshülse 27 ausgebildet
sind, die Oberflächen
des inneren Brennerzylinders 22 und des endseitigen Brennerzylinders 26 werden
von einem Teil der verdichteten Luft 30a gekühlt, die
Temperatur des Brenngases 31 wird von einem anderen Teil
der verdichteten Luft 30a abgesenkt und der Rest der verdichteten
Luft 30a wird zu der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 geführt.
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Die Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 ist
in einem Gehäuse 35 aufgenommen
und erstreckt sich bis zum Kopfbereich der Brennkammer 23 in
axialer Richtung. Die Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 enthält eine
erste Vormischbrenndüseneinheit 33,
die im Zentrum des Gehäuses 35 angeordnet
ist, eine Diffusionsbrenndüseneinheit 32,
die ausgebildet ist, indem sie die erste Vormischbrenndüseneinheit 33 koaxial
umgibt, und eine zweite Vormischbrenndüseneinheit 34, die
gebildet ist, indem sie die Diffusionsbrenndüseneinheit 32 koaxial
umgibt und das Vormischen durchführt,
indem die verdichtete Luft 30a vorher den verbleibenden
Kraftstoffen b, c zugeführt wird, die in der ersten
Vormischbrenndüseneinheit 33 und
der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 strömen, mit
Ausnahme des Kraftstoffes a, der in der Diffusionsbrenndüseneinheit 32 strömt.
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Weiter ist die erste Vormischbrenndüseneinheit 33,
die von der Diffusionsbrenndüseneinheit 32 und
der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 koaxial umgeben
ist, mit einer Vormischbrennkammer 36 versehen, deren Auslass
mit konkaver Gestalt ausgebildet ist.
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In der wie vorstehend beschrieben
angeordneten Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 wird, wenn
die Diffusionsbrenndüseneinheit 32 eine
Diffusionsflamme 31a durch den Kraftstoff a erzeugt,
der Kraftstoff a in Richtung der seitlichen sektionalen
Oberfläche der
Brennkammer 23 diffundiert beziehungsweise verbreitet.
Wenn der Kraftstoff a gezündet wird, erreicht folglich
die Diffusionsflamme 31a ein Flammenfortschreitrohr 60,
das eine Mehrzahl von Gasturbinenbrennern miteinander verbindet,
um dadurch die Diffusionsflamme 31a zu den anderen Gasturbinenbrennern
fortschreiten beziehungsweise sich ausbreiten zu lassen. Der Durchsatz
des Kraftstoffes a wird allmählich vermindert, während die
Last der Gasturbine zunimmt, und wird schließlich zu Null gemacht.
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Der aus der ersten Vormischbrenndüseneinheit 23 eingespritzte
Kraftstoff b wird vorgemischt, indem er mit verdichteter
Luft 30a zusammen gebracht wird, und erzeugt eine erste
vorgemischte Flamme 31b, die mit einer umlaufenden Strömung in
der Vormischbrennkammer 36 verbunden ist und zusätzlich wird
der Kraftstoff c, der von der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 eingespritzt
wird, vorgemischt, indem er mit verdichteter Luft 30a zusammen
gebracht wird, und erzeugt eine zweite vorgemischte Flamme 31c in
der Brennkammer 23, die die Diffusionsflamme 31a als
Pilotflamme benutzt.
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Die Diffusionsflamme 31a,
die erste vorgemischte Flamme 31b und die zweite vorgemischte Flamme 31c werden
durch den endseitigen Brennerzylinder 26 der Gasturbinenschaufel 25 als
Brenngas 31 zum Antrieb der Gasturbine, nachdem sie zusammengeführt sind,
zugeführt.
Weiter wird die Zufuhr von Kraftstoff a, der von der Diffusionsbrenndüseneinheit 32 eingespritzt
wird, bei dem Vorgang zunehmender Gasturbinenlast gestoppt. Die
erste vorgemischte Flamme 31b als die Pilotflamme, die
zweite vorgemischte Flamme 31c und das Brenngas 31 zum Antreiben
der Gasturbine werden durch die Kraftstoffe b, c abgedeckt,
die von der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 und
der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 eingespritzt
werden.
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2 ist
eine teilweise vergrößerte Ansicht der
Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 gemäß 1. Die Anordnung der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 wird
nachfolgend etwas im Detail beschreiben.
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Wie in 2 dargestellt,
ist die Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 aufgebaut, indem
die einzelne Diffusionsbrenndüseneinheit 32,
erste Vormischbrenndüseneinheit 33,
zweite Vormischbrenndüseneinheit 34 und
Vormischbrennkammer 36 als eine einzelne Einheit zusammengebaut
werden.
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Die zweite Vormischbrenndüseneinheit 34, die
am weitesten von dem axialen Zentrum der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 entfernt
angeordnet ist, ist mit einer zweiten Kraftstoffdüse 49 versehen,
einem Wirbelerzeuger 48 und einem zweiten Durchlass 47 beziehungsweise
Kanal zum Vormischen vorgemischten Gases. Zusätzlich ist der zweite Durchlass 47 zum
Vormischen vorgemischten Gases durch allmähliches Verengen seiner offenen
Fläche
von dem Wirbelerzeuger 48 zu einem zweiten Vormischauslass 50 hin
als sich verengender Durchlass ausgebildet. Als Folge wird der Kraftstoff c,
der von der zweiten Kraftstoffdüse 49 eingespritzt
wird, durch Zusammenführen
mit dem Luftverdichter 30 zu einem zweiten vorgemischten
Gas, wenn er eingespritzt wird, und wird weiter mittels des Wirbelerzeugers 48 mit
einer wirbelnden Strömung
versehen. Wenn das zweite vorgemischte Gas durch den zweiten Vormischauslass 50 des
zweiten Durchlasses 47 zum Vormischen vorgemischten Gases
hindurchtritt, kann, da es in die Brennkammer 23 als die
zweite vorgemischte Flamme 31c mit einer größten Strömungsgeschwindigkeit
eingespritzt wird, folglich ein stabiles Brenngas geschaffen werden,
das nicht in umgekehrter Richtung strömt.
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Weiter ist die Diffusionsbrenndüseneinheit 32,
die von der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 koaxial
umgeben ist, mit einem sich axial erstreckenden Diffusionsbrennkraftstoffdurchlass 38 sowie mit
Kraftstoffeinspritzlöchern 39 versehen,
die radial an dem Auslass des Diffusionsbrennkraftstoffdurchlasses 38 in
seitlicher sektionaler Richtung der Brennkammer 33 ausgebildet
sind. Folglich erzeugt der von den Kraftstoffeinspritzlöchern 39 eingespritzte
Kraftstoff a die Diffusionsflamme 31a unter Verwendung
eines nicht dargestellten Zünders,
wenn er diffundiert beziehungsweise verteilt wird und in die seitliche
sektionale Richtung der Brennkammer 23 eingespritzt wird
und die Diffusionsflanme 31a erreicht das Flammenfortschreitrohr 60 und
wird als Pilotflamme zu den anderen Gasturbinenbrennern verwendet.
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Andererseits ist die erste Vormischbrenndüseneinheit 33,
die im Zentrum der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 angeordnet
ist, als eine erste Kraftstoffdüse 43 angeordnet,
die einen sich axial erstreckenden ersten Vormischkraftstoffdurchlass 40 enthält. Ein
erster Durchlass 41 zum Vormischen vorgemischten Gases
ist außerhalb
der ersten Kraftstoffdüse 43 ausgebildet,
so dass er diese koaxial umgibt, und ein Wirbelerzeuger 42 ist
in dem ersten Durchlass 41 zum Vormischen vorgemischten
Gases angeordnet. Eine Einspritzeinheit 44 für vorgemischten Kraftstoff,
die seitlich in sich kreuzender Art zu dem ersten Durchlass 41 zum
Vormischen vorgemischten Gases vorsteht, ist in dem mittleren Bereich
der ersten Kraftstoffdüse 43 angeordnet.
Zusätzlich
ist die konkave Vormischbrennkammer 36 so ausgebildet, dass
sie von der Diffusionsbrenndüseneinheit 32 umgeben
ist, und die zweite Vormischbrenndüseneinheit 34 ist
am Auslass des ersten Durchlasses 41 zum Vormischen vorgemischten
Gases derart angeordnet, dass der von dem ersten Vormischkraftstoffdurchlass 40 durch
die Einspritzeinheit 44 für vorgemischten Kraftstoff
eingespritzte Kraftstoff b vorgemischt wird, indem er mit
der verdichteten Luft 30a zusammen gebracht wird, der die
wirbelnde Strömung
von dem Wirbelerzeuger 42 auferlegt wird, und erzeugt dann
die erste vorgemischte Flamme 31b durch Führen des
vorgemischten Gases in die Vormischbrennkammer 36.
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Der erste Durchlass 41 zum
Vormischen vorgemischten Gases ist zu einem Drosseldurchlass mit einer Öffnungsfläche ausgebildet,
die von der Einspritzeinheit 44 vorgemischten Kraftstoffes
zu der Vormischbrennkammer 36 allmählich abnimmt, um die Strömungsgeschwindigkeit
des Kraftstoffes b auf 100 Meter pro Sekunde bis 120 Meter
pro Sekunde einzustellen. Da die Strömungsgeschwindigkeit der ersten
vorgemischten Flamme 31b, die in der Vormischbrennkammer 36 erzeugt
wird, zwei oder drei mal so groß ist
wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit der turbulenten Flamme, strömt sie als
Folge nicht rückwärts zu dem
ersten Durchlass 41 zum Vormischen vorgemischten Gases.
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Andererseits, da die Vormischbrennkammer 36 mit
der konkaven Gestalt ausgebildet ist, die dadurch gebildet ist,
dass sie von der Diffusionsbrenndüseneinheit 32 und
der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 32 und
der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 umgeben
ist, und der Durchmesser davon ist im Vergleich zu dem der Brennkammer 23 deutlich vermindert.
Entsprechend wird die Vormischbrennkammer 36 durch die
große
Turbulenz der Brenngasströmung
in der Brennkammer 23 und der Strömung verdichteter Luft beeinflusst.
Daher hängt
die Stabilität
der ersten vorgemischten Flamme 31b, die in der Vormischbrennkammer 36 erzeugt
wird, nur vom Ausmaß der
Verdünnung
des Kraftstoffes b selbst und ihrer Strömungsgeschwindigkeit ab und
erhält insgesamt
nicht den Einfluss der Störung.
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Da das Volumen der Vormischbrennkammer 36 deutlich
kleiner ist als das der Brennkammer 23, wird weiter das
Verhältnis
des Kraftstoffes b, der je Volumeneinheit der Brennkammer
und je Zeiteinheit (Kraftstofflastverhältnis) verbrannt wird, vergrößert. Als
Folge kann, da die Stabilität
der ersten vorgemischten Flamme 31b sichergestellt werden
kann, selbst wenn die vorgemischte Verbrennung durchgeführt wird,
indem gleichzeitig die erste Vormischbrenndüseneinheit 33 und
die zweite Vormischbrenndüseneinheit 34 während des
100%-Lastbetriebes verwendet werden, die erste vorgemischte Flamme 31b ihren
Zustand als Pilotflamme aufrecht erhalten.
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3 zeigt
Kurven, die darstellen, wie das Vorhandensein und die Abwesenheit
von diffundiertem Kraftstoff die Stabilität der Flamme beeinflussen. In 3 zeigt eine durchgezogene
Linie, ob die Flamme in der Vormischbrennkammer 36 entsprechend
dieser Ausführungsform
stabil ist oder nicht, und eine unterbrochene Linie zeigt, ob eine
Flamme in dem herkömmlichen
Gasturbinenbrenner gemäß 17 (der mit keiner Vormischbrennkammer
versehen ist), stabil ist, oder nicht.
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Im Allgemeinen wird die Strömungsgeschwindigkeit
eines Brenngases unkonditionell im Hinblick auf die Lasten in dem
Gasturbinenkraftwerk bestimmt, und die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases ändert sich
nicht zu der gleichen Last. Wenn der gesamte Druckverlust des Gasturbinenbrenners
jedoch absichtlich im Zustand einer Nennlast verändert wird und genauer, wenn
die Vormischbrennkammer 36 wie im Fall der beschriebenen
Ausführungsform
vorgesehen ist, wird ein Problem der Stabilität der Flamme zu dem diffundierten
Kraftstoff erzeugt.
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Das heißt, bei dem herkömmlichen
Gasturbinenbrenner gemäß 18, wenn die Strömungsgeschwindigkeit
beziehungsweise der Durchsatz eines diffundierten Kraftstoffes durch
einen Wert A gegeben ist, die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases
durch a1 in einem Nennlastbetrieb dargestellt ist, wohingegen
die Strömungsgeschwindigkeit
des Brenngases durch a2 gegeben ist, wenn eine Last abgeschaltet
wird, und die Stabilität
einer Flamme ist in beiden Fällen
sichergestellt.
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Wenn jedoch der Durchsatz beziehungsweise
die Strömungsgeschwindigkeit
des diffundierten Kraftstoffes zu einem Wert B verschoben
wird, kann die Stabilität
der Flamme sichergestellt werden, selbst wenn die Strömungsgeschwindigkeit
des Brenngases bei Nennlastbetrieb zu b1 wird, wohingegen
in dem Lastabschaltbetrieb die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases
zu b2 wird, wobei ein Bereich unstabilen Flammengases erreicht
wird.
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Wenn die Strömungsrate des diffundierten Kraftstoffes
Null ist, das heißt,
wenn ein Nennlastbetrieb durchgeführt wird, und wenn die Last
an der Position D abgeschaltet wird, wird die Flamme unstabil und
es kann die Möglichkeit
eines Ausblasphänomens
entstehen, da die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten d1 und d2 des
Brenngases die unterbrochene Linie überschreiten.
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Wie vorstehend beschrieben, wird
bei dem herkömmlichen
Gasturbinenbrenner gemäß 18 die Stabilität der Flamme
nur sichergestellt, wenn die Strömungsrate
beziehungsweise der Durchsatzdes diffundierten Kraftstoffes auf
den Wert A eingestellt wird, wobei der Nennlastbetrieb
und das Abschalten der Last insgesamt in Betracht gezogen werden.
Bei dem Gasturbinenbrenner entsprechend der beschriebenen Ausführungsform
jedoch ist die Stabilität einer
Flamme sichergestellt, da die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten d1 und d2 des
Brenngases sich unter der durchgehenden Linie im Nennlastbetrieb
und wenn die Last abgeschaltet wird, finden, in Folge des Vorsehens
der Vormischbrennkammer 36.
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Wie vorstehend beschrieben, besteht
die Auffassung, dass der Grund, warum die Stabilität der Flamme
sichergestellt werden kann, selbst bei keinem diffundierten Kraftstoff,
darin liegt, dass die Vormischbrennkammer 36 derart ausgebildet
ist, dass im zentralen Bereich der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 eine
konkave Gestalt geschaffen wird, so dass die Kammer 36 von
der Störung
der Strömung des
Brenngases 31 in der Brennkammer 23 und der verdichteten
Luft 30a nicht beeinflusst wird.
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4 ist
eine grafische Darstellung, die Temperaturverteilungskurven zeigt,
um die Temperaturverteilung B der Flamme, wenn die Kraftstoffeinspritzlöcher 39 der
Diffusionsbrenndüseneinheit 32 entsprechend
der Ausführungsform
an Stellen B1, B2, die von dem Zentrum 0 des
Gasturbinenbrenners entfernt sind, mit der Temperaturverteilung A der Flamme
zu vergleichen, wenn die Kraftstoffeinspritzlöcher 39 der herkömmlichen
ersten Diffusionsbrenndüseneinheit 7 an
Stellen A1 und A2 angeordnet sind, die von dem
Zentrum 0 des Gasturbinenbrenners entfernt sind.
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Wie durch die unterbrochene Linie
in 4 gezeigt, hat die
herkömmliche
Flammentemperaturverteilung A einen Spitzentemperaturwert
in der Nachbarschaft des Zentrums 0 des Gasturbinenbrenners,
während
sie einen Wert nahe einer unteren Grenztemperatur einer Flammenausbreitung
beziehungsweise -Fortschreitung an der Wandoberfläche der
Brennkammer am Einlass des Flammenfortschreitrohrs hat und entsprechend
ist die Temperaturverteilung in einem unstabilen Zustand.
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Wie durch die durchgezogene Linie
in 4 dargestellt, hat
dagegen die Temperaturverteilung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform
einen Spitzenwert außerhalb
der Positionen B1 und B2 und einen Temperaturwert über der
unteren Grenztemperatur der Flammenfortschreitung, selbst an der Wandoberfläche der
Brennkammer.
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Wie vorstehend beschrieben, da die
Kraftstoffeinspritzlöcher 39 der
Diffusionsbrenndüseneinheit 32 an
den Stellen B angeordnet sind, die von dem Zentrum 0 des
Gasturbinenbrenners entfernt sind sowie in Richtung auf die Wandoberfläche der Brennkammer 23 in
der vorliegenden Ausführungsform
definiert sind, kann die Flamme sicher zu den anderen Gasturbinenbrennern
fortschreiten.
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5 ist
eine schematische Schnittansicht, teilweise ausgeschnitten, die
eine zweite Ausführungsform
eines Gasturbinenbrenners nahezu entsprechend der vorliegenden Erfindung
zeigt, in der die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform
mit gleichen Bezugszeichen belegt sind, und nur unterschiedliche
Komponenten nachfolgend beschrieben werden.
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Die zweite Ausführungsform ist mit einer Hauptvormischkraftstoffeinspritzeinheit 51 versehen, die
außerhalb
der Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 angeordnet ist,
um der Temperaturerhöhung
des Gasturbinenbrenners 20 Rechnung zu tragen.
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Die Hauptvormischkraftstoffeinspritzeinheit 51 enthält eine
Hauptkraftstoffdüseneinheit 52 und eine
Vormischleitung 53 und dient dazu, die verdichtete Luft 30a dem
Kraftstoff d zuzufügen,
der von der Hauptkraftstoffdüseneinheit 52 eingespritzt
wird. Der Kraftstoff d wird in der Vormischleitung 53 zu
einem vorgemischten Gas in einem mageren Kraftstoffzustand.
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Die Vormischleitung 53 enthält eine
Mehrzahl von Hauptvormischkraftstoffauslässen 54 an ihrer strömungsabwärtigen Seite
und dient dazu, den Kraftstoff d einzuspritzen, der durch
die Mehrzahl von Hauptvormischkraftstoffauslässen 54 rückwärtig der Diffusionsflamme 31a zu
dem vorgemischten Gas wird, eine erste vorgemischte Flamme 31b und
eine zweite vorgemischte Flamme 31c, die durch die jeweiligen
der Diffusionsbrenndüseneinheit 32,
ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 und
zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 der
vorstehenden Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 erzeugt
werden. Dann wird eine dritte vorgemischte Flamme 31d als
das Brenngas zum Antreiben der Gasturbine erzeugt, indem diese Flammen 31a, 31b, 31c als
Pilotflammen verwendet werden.
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Wie vorstehend beschrieben, kann
bei dieser Ausführungsform,
da die dritte vorgemischte Flamme 31d als das Brenngas 31 zum
Antreiben der Gasturbine, das durch die Hauptvormischkraftstoffeinspritzeinheit 51 erzeugt
wird, zu den jeweiligen Flammen 31a, 31b, 31c als
das Brenngas 31 zum Antreiben der Gasturbine zugeführt wird,
die durch die Pilotkraftstoffeinspritzeinheit 24 erzeugt
werden, die Leistung der Gasturbine durch die Erhöhung der Temperatur
des Gasturbinenbrenners 20 vergrößert werden.
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6 ist
eine schematische Schnittansicht, teilweise ausgeschnitten, die
eine dritte Ausführungsform
eines Gasturbinenbrenners entsprechend der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Diese dritte Ausführungsform ist mit einer Mehrzahl
von Pilotkraftstoffeinspritzeinheiten 24 versehen, die
in dem Kopfbereich der Brennkammer 23 ausgebildet sind,
die in dem inneren Brennerzylinder 22 in der ersten Ausführungsform
oder der zweiten Ausführungsform
ausgebildet ist, wobei die gleichen Komponenten wie die der ersten
Ausführungsform oder
der zweiten Ausführungsform
mit den gleichen Bezugszeichen belegt sind.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Mehrzahl von
Pilotkraftstoffeinspritzeinheiten 24 vorgesehen, von denen
jede die jeweiligen der Diffusionsbrenndüseneinheit 32, der
ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 und
der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 aufweist,
und entsprechend wird die Ungleichheit der Temperaturverteilung
der Diffusionsflamme 31a, der ersten vorgemischten Flamme 31b und
der zweiten vorgemischten Flamme 31c durch die Erhöhung der
Anzahl der jeweiligen Düseneinheiten
beseitigt, so dass die thermische Stabilität vergrößert werden kann.
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Daher kann bei dieser dritten Ausführungsform
die Schwingung aufgrund der Verbrennung, die verursacht wird, wenn
die jeweiligen Flammen 31a, 31b und 31c erzeugt
werden, Auf ein niedrigeres Maß abgesenkt
werden.
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7 ist
eine schematische Teilschnittansicht eines ersten Beispiels zum
Ausführen
der ersten Ausführungsform,
zweiten Ausführungsform
oder dritten Ausführungsform
des Gasturbinenbrenners entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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In dem ersten Beispiel sind Einspritzlöcher 62a zu
der Vormischbrennkammer 36 der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 ausgebildet,
so dass die Einspritzlöcher 62a mit
dem Durchlass 62 für
verdichtete Luft kommunizieren, und an dem Auslass der Vormischbrennkammer 36 der
ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform ist ein Ausschnitt 45 ausgebildet.
Weiter sind die gleichen Komponenten wie diejenigen der jeweiligen
Ausführungsformen
mit den gleichen Bezugszeichen belegt.
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Da das Volumen der Vormischbrennkammer 36 kleiner
ist als das der Brennkammer 23, ist das Kraftstofflastverhältnis je
Zeiteinheit und je Volumeneinheit vergrößert. Im Ergebnis besteht,
wenn die Gasturbine sich im Nennbetrieb befindet, da die Vormischbrennkammer 36 durch
die erste vorgemischte Flamme 31b einer großen Belastung
ausgesetzt ist, die Möglichkeit,
dass die Wandoberfläche,
die den Durchlass 62 für
verdichtete Luft bildet, verbrannt wird.
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Weiter wird die Strömungsgeschwindigkeit der
ersten vorgemischten Flamme 31b, die in der Vormischbrennkammer 36 erzeugt
wird, durch die Zunahme der Drehung (Zunahme der Geschwindigkeit)
der Gasturbine vergrößert. Zu
diesem Zeitpunkt besteht ein Fall, dass sich die erste vorgemischte Flamme 31 von
der Vormischbrennkammer 36 in die Brennkammer 23 durch
die Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit
oder im Gegenteil von der Brennkammer 23 in die Vormischbrennkammer 36 bewegt.
Entsprechend besteht die Möglichkeit,
dass die Schwingung aufgrund der Verbrennung durch die erste vorgemischte
Flamme 31b in der Vormischbrennkammer 36 induziert
wird.
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Um dem vorstehenden Problem zu begegnen,
sind bei dieser Ausführungsform
die Einspritzlöcher 62a in
der Wandoberfläche
des Durchlasses 62 für
verdichtete Luft ausgebildet, die die Vormischbrennkammer 36 bildet,
indem sie sie umgibt, und die Wandoberfläche wird gekühlt. Der
stufenförmige Ausschnitt 45 ist
ebenfalls am Auslass der Vormischbrennkammer 36 ausgebildet,
um dadurch die Hin- und Herbewegung der ersten vorgemischten Flamme 31b zu
verhindern, indem die Adhäsionskraft
der dort erzeugten Wirbel 46 genutzt wird.
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Da die Einspritzlöcher 62a zu der Vormischkammer 36 hin
gebildet sind, so dass sie mit dem Durchlass 62 für verdichtete
Luft kommunizieren, und die Wandoberfläche, die die Vormischbrennkammer 36 bildet,
von der verdichteten Luft 30a gekühlt wird, kann bei diesem ersten
Beispiel verhindert werden, dass die Wandoberfläche von der ersten vorgemischten
Flamme 31b verbrannt wird.
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Weiter, bezugnehmend auf dieses Beispiel, da
der Ausschnitt 45 an dem Auslass der Vormischbrennkammer 36 ausgebildet
ist und die Zickzackbewegung der ersten vorgemischte Flamme 31b verhindert
wird, indem die Adhäsionskraft
der Wirbel 46, die von der Aussparung 45 erzeugt
wird, genutzt wird, kann die Vibration in der Vormischbrennkammer 36,
die durch die erste vorgemischte Flamme 31b erzeugt wird,
verhindert werden.
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8 ist
eine schematische Teilschnittansicht, die ein zweites Beispiel zum
Ausführen
der ersten Ausführungsform,
zweiten Ausführungsform
oder dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners
zeigt.
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In diesem zweiten Beispiel ist die
Vormischbrennkammer 36 von der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 mit
konischer Gestalt gebildet, so dass sie sich zu der Brennkammer 23 der
ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform hin erweitert. Weiter sind
gleiche Bauteile wie die der jeweiligen Ausführungsformen mit den gleichen
Bezugszeichen belegt.
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Bei diesem Beispiel kann, da eine
wirbelnde Brenngasströmung 67 gleichmäßig längs einer
konischen Wandoberfläche
strömt,
selbst wenn die verdichtete Luft 30a sich verändert, die
Abmessung des Umkehrströmungsbereichs
der ersten vorgemischte Flamme 31b an dem zentralen Bereich
konstant gemacht werden.
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Weiter wird, wenn der Druck in dem
Umkehrströmungsbereich
der ersten vorgemischten Flamme 31b durch Veränderung
des Brenngases in der Brennkammer 23 erhöht wird
und eine äußere Kraft zum
Expandieren der wirbelnden Brenngasströmung 67 nach außen auf
sie durch die Druckerhöhung wirkt,
die wirbelnde Brenngasströmung 67 kaum durch
diese Kraft aufgrund der konischen Gestalt beeinflusst, so dass
der Umkehrströmungsbereich
der ersten vorgemischten Flamme 31b sich fast nicht verändert, obwohl
seine Position sich leicht nach hinten bewegt.
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Selbst wenn eine Kraft zum Ziehen
der wirbelnden Brenngasströmung 67 einwärts auf
sie wirkt, indem der Druck der ersten vorgemischten Flamme 31b in
der Rückwärtsströmungsrichtung
abnimmt, wird sie dagegen nicht einfach davon abgelöst und der
Umkehrströmungsbereich
der ersten vorgemischten Flamme 31b wird fast nicht verändert.
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Im Ergebnis kann die Verbrennung
stabil andauern und das Auftreten der Schwingung aufgrund der Verbrennung
kann unterdrückt
werden.
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9 ist
eine schematische Teilschnittansicht eines dritten Beispiels zum
Ausführen
der ersten Ausführungsform,
zweiten Ausführungsform
oder dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners.
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In diesem Beispiel ist ein stufenförmiger Ausschnitt 63 am
Auslass des ersten Durchlasses 41 zum Vormischen vorgemischten
Gases der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 in
der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform ausgebildet. Weiter sind
die gleichen Bauteile wie die der jeweiligen Ausführungsformen
mit den gleichen Bezugszeichen belegt.
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Da die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffes b,
der sich durch den ersten Durchlass 41 zum Vormischen vorgemischten
Gases bewegt, durch die Zunahme der Geschwindigkeit der Gasturbine
erhöht
wird, wird im Allgemeinen die erste vorgemischte Flamme 31b,
die in der Vormischbrennkammer 36 erzeugt wird, in die
Brennkammer 23 eingespritzt, während ihre Strömungsgeschwindigkeit ebenfalls
erhöht
wird. In diesem Fall haftet die erste vorgemischte Flamme 31b an
der Wandoberfläche an
oder wird von der Wandoberfläche
des Auslasses des ersten Durchlasses 41 zum Vormischen vorgemischten
Gases abgelöst,
um dadurch deren Strömung
in dem Vorgang zu stören,
in dem Kraftstoff b durch die erste vorgemischte Flamme 31b erzeugt wird,
durch die die Schwingung aufgrund der Verbrennung verursacht werden
kann.
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Um diesem Problem Rechnung zu tragen,
ist in dem dritten Beispiel die Ausnehmung beziehungsweise der Ausschnitt 63 an
dem Auslass des ersten Durchlasses 41 zum Vormischen vorgemischten
Gases ausgebildet und dort werden kleine Wirbel 64 erzeugt,
um dadurch zu verhindern, dass die erste vorgemischte Flamme 31b an
der Wandoberfläche
des Auslasses des ersten Durchlasses 41 zum Vormischen
vorgemischten Gases anhaftet oder sich davon ablöst, indem die Adhäsionskraft
der Wirbel 64 genutzt wird.
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Da die Zickzack- beziehungsweise
Hin- und Her-Bewegung der ersten vorgemischten Flamme 31b durch
Ausbilden des stufenförmigen
Ausschnitts 63 an dem Auslass des ersten Durchlasses 41 zum Vormischen
vorgemischten Gases verhindert ist und die Adhäsionskraft der an dem Ausschnitt 63 erzeugten
Wirbel 64 genutzt wird, kann daher bei diesem Beispiel
die Schwingung am Auslass des ersten Durchlasses 41 zum
Vormischen vorgemischten Gases verhindert werden, die von der ersten
vorgemischten Flamme 31b erzeugt wird.
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10 ist
eine schematische Teilschnittansicht, die ein viertes Beispiel zum
Ausführen
der ersten Ausführungsform,
zweiten Ausführungsform
oder dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners
zeigt. Weiter sind die gleichen Bauteile wie die der jeweiligen
Ausführungsformen mit
den gleichen Bezugszeichen belegt.
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Bei diesem vierten Beispiel ist eine
Wandoberfläche 65,
die die Vormischbrennkammer 36 bildet, durch die erste
Vormischbrenndüseneinheit 33 aus
Keramik oder einem Keramik-Faser-verstärktem Verbundmaterial der ersten,
zweiten oder dritten Ausführungsform
gebildet.
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Obwohl die verdichtete Luft 30a,
die zum Vormischen des Kraftstoffes des Gasturbinenbrenners in den
mageren Kraftstoffzustand verwendet wird, von dem Luftverdichter
her zugeführt
wird, ist deren Strömungsrate
beziehungsweise Durchsatz im Allgemeinen begrenzt. Wenn berücksichtigt
wird, dass die von dem Verdichter gelieferte verdichtete Luft 30a zugeführt wird,
um die Komponenten, die den inneren Brennerzylinder 22,
den endseitigen Brennerzylinder 26, die Gasturbinenschaufel 25 und so
weiter zusätzlich
zum Vormischen des Kraftstoffes zu kühlen, ist es vorteilhaft, den
Durchsatz der verdichteten Luft zu minimieren, die zum Kühlen des
inneren Brennerzylinders verwendet wird. Grund dafür ist, dass
der Durchsatz der verdichteten Luft, die zum Vormischen des Kraftstoffes
verwendet wird, entsprechend vergrößert werden kann und die Gasturbine
in einem magereren Kraftstoffzustand betrieben werden kann. Bei
einem Verfahren zum Kühlen
der metallischen Wandoberfläche
des inneren Zylinders durch Einleiten von Kühlluft in den inneren Zylinder wird
des Weiteren die Temperatur der Wandoberfläche des inneren Zylinders abgesenkt
und ein unverbranntes, vorgemischtes Gas wird durch die Kühlluft magerer
und ausgestoßen,
wie es als unverbrannter Kraftstoff ohne Durchführen einer Reaktion ist.
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Im Hinblick auf die vorgenannten
Tatsachen ist in diesem vierten Beispiel die Wandoberfläche 65, die
die Vormischbrennkammer 36 bildet, aus dem Keramik oder
dem Keramik-Faser-verstärkten
Verbundmaterial gebildet, um dadurch die Temperatur der Wandoberfläche 65 zu
erhöhen,
so dass der unverbrannte Kraftstoffzustand durch die Erhöhung der Temperatur
der Wandoberfläche 65 weiter
vermindert wird. Das heißt,
da die Temperatur der Wandoberfläche 65 erhöht wird,
indem diese aus Keramik oder dem Keramik-Faser-verstärkten Verbundmaterial
in diesem Beispiel besteht, kann das Grenzäquivalentverhältnis für die Erzeugung
unverbrannten Kraftstoffs des vorgemischten Gases, das aus der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 in
die Vormischbrennkammer 36 eingespritzt wird, von dem herkömmlichen
Grenzäquivalentverhältnis, das
in 11 durch die Punkt-Strich-Linie
dargestellt ist, auf das Grenzäquivalentverhältnis vermindert
werden, das durch die doppelt gepunktete Strichlinie dargestellt
ist. Der Bereich A der Erzeugung von unverbrannten Kraftstoff
beim Anlaufbetrieb der Gasturbine kann im Vergleich zu einem herkömmlichen
Bereich B der Erzeugung von unverbranntem Kraftstoff durch
die Abnahme des Grenzäquivalentverhältnisses
der Erzeugung unverbrannten Kraftstoffes geschmälert werden. Weiter kann die
Konzentration unverbrannten Kraftstoffes vermindert werden, wie durch
eine ausgezogene Linie dargestellt, im Vergleich zu der herkömmlichen
Konzentration, die durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
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Da die Wandoberfläche 65 aus Keramik
oder Keramik-Faser-verstärktem
Verbundmaterial hergestellt ist und deren Temperatur in diesem Beispiel
erhöht
ist, kann die Erzeugung von unverbranntem Kraftstoff in dem vorgemischten
Gas, das längs
der Wandoberfläche 65 strömt, daher
vermindert werden, und die verdichtete Luft 30a, die andernfalls
zum Kühlen
des Bereichs verwendet wird, kann zum Vormischen verwendet werden,
wodurch das Erzeugen von NOx weiter vermindert werden kann.
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Weiter bezüglich dieses vierten Beispiels,
da das Grenzäquivalentverhältnis der
Erzeugung von unverbranntem Kraftstoff mehr als im herkömmlichen Fall
abgesenkt werden kann, kann der Zeitpunkt, zu dem der Kraftstoff
b aus der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 in
die Vormischbrennkammer 36 eingespritzt wird, vorgeschoben
werden, und die Strömungsrate
des Kraftstoffes a, der aus der Diffusionsbrenndüseneinheit 32 in die
Brennkammer 23 eingespritzt wird, kann daher gegenüber dem
herkömmlichen
Fall vermindert werden. Das heißt,
das Einspritzen des Kraftstoffes b aus der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 beginnt
zu einem Zeitpunkt t1 während
des Anlaufbetriebes der Gasturbine, wie in 12 dargestellt. Da die Wandoberfläche 65,
die die Vormischbrennkammer 36 bildet, aus dem Keramik-
oder dem Keramik-Faser-verstärkten
Verbundmaterial hergestellt ist, um dadurch die Erzeugung des unverbrannten
Kraftstoffes in dem vorgemischten Gas, das längs der Wandoberfläche 65 strömt, durch
die Erhöhung
der Temperatur der Wandoberfläche 65 zu
vermindern, kann der Zeitpunkt t1 auf den Zeitpunkt t2 vorgeschoben
werden. Als ein Ergebnis kann der Kraftstoff a, der aus
der Diffusionsbrenndüseneinheit 33,
die derart geformt ist, dass sie die erste Vormischbrenndüseneinheit 33 konzentrisch
umgibt, gegenüber
der herkömmlichen
Strömungsrate,
die durch eine unterbrochene Linie dargestellt ist, zu der Strömungsrate,
die durch eine ausgezogene Linie in 12 dargestellt
ist, vermindert werden, und der Spitzenwert der Konzentration des unverbrannten
Kraftstoffes kann von der durch eine unterbrochene Linie gezeigten
Zeit zu der durch eine ausgezogene Linie dargestellten vorgeschoben
werden. Weiter kann der Spitzenwert der NOx-Konzentration auf einen
niedrigeren Wert von dem durch eine unterbrochene Linie gezeigten
Wert auf den durch eine ausgezogene Line dargestellten Wert gesenkt werden.
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Wie vorstehend beschrieben, da in
diesem Beispiel die Wandoberfläche 65 aus
Keramik- oder dem
Keramik-Faser-verstärktem
Verbundmaterial hergestellt ist und deren Temperatur erhöht ist,
ist der Zeitpunkt, zu dem der Kraftstoff b aus der ersten
Vormischbrenndüseneinheit 33 in
die Vormischbrennkammer 36 eingespritzt wird, gegenüber dem
herkömmlichen
Zeitpunkt vorgeschoben, und die Strömungsrate des Kraftstoffes a,
der aus der Diffusionsbrenndüseneinheit 32 in
die Brennkammer 23 eingespritzt wird, ist vermindert, wodurch
die NOx-Konzentration weiter reduziert werden kann als die herkömmliche,
selbst während
des Anlaufbetriebs.
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13 ist
eine schematische Teilschnittansicht eines fünften Beispiels zum Ausführen der
ersten Ausführungsform,
zweiten Ausführungsform
oder dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners.
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Bei diesem fünften Beispiel ist die Wandoberfläche 65,
die die Vormischbrennkammer 36 bildet, von der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 gebildet
und aus dem keramischen oder dem Keramik-Faser-verstärkten Verbundmaterial
hergestellt und vorstehende Teile 65a sind an der Wandoberfläche 65 integral
mit ihr ausgebildet, wie bei der ersten, zweien oder dritten Ausführungsform.
Weiter sind die gleichen Komponenten wie diejenigen der jeweiligen Ausführungsformen
mit den gleichen Bezugszeichen belegt.
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Wie in 14 dargestellt,
sind die an der Wandoberfläche 65 integral
mit ihr ausgebildeten vorspringenden Teile 65a ringförmig um
die Umfangsrichtung der Wandoberfläche 65 angeordnet und
erstrecken sich in axialer Richtung der Wandoberfläche 65.
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Wie vorstehend beschrieben ist bei
diesem Beispiel eine Wärmeübertragungsfläche durch
die Bildung der vorspringenden Teile 65a integral mit der aus
Keramik oder dem Keramik-Faser-verstärktem Verbundmaterial ausgebildeten
Wandoberfläche 65 vergrößert, wodurch
eine Störung
auf die Strömung des
vorgemischten Gases einwirkt, das aus dem ersten Durchlass 41 zum
Vormischen vorgemischten Gases in die Vormischbrennkammer 36 strömt, damit eine
Verbrennungsreaktion wirksam gefördert
wird.
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Da die Temperatur der Wandoberfläche 65 durch
die Vergrößerung der
Wärmeübertragungsfläche vergrößert werden
kann und die Verbrennungsreaktion durch Einwirken der Störung auf
die Strömung
des vorgemischten Gases in Folge der vorspringenden Teile 65a unterstützt wird,
kann daher die Entstehung von unverbranntem Kraftstoff in dem vorgemischten
Gas weiter vermindert werden.
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15 ist
eine schematische Teilschnittansicht, die ein sechstes Beispiel
zum Ausführen
der ersten Ausführungsform,
zweiten Ausführungsform oder
dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners
zeigt.
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Dieses sechste Beispiel ist mit einer
Antriebseinheit 66, beispielsweise einem Motor, einem hydraulischen
Mechanismus, einem manuellen Handgriff oder Ähnlichem ausgerüstet, um
die erste Kraftstoffdüse 43 der
ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 derart
zu bewegen, dass es möglich
ist, sie frei nach vorne oder zurück zu bewegen, in der ersten,
zweiten oder dritten Ausführungsform.
Weiter sind die gleichen Bauteile wie diejenigen der jeweiligen
Ausführungsformen
mit den gleichen Bezugszeichen belegt.
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Da bei diesem Beispiel die Antriebseinheit 66 an
der ersten Kraftstoffdüse 43 angeordnet
ist, kann das Volumen der Vormischbrennkammer 36 eingestellt
werden, so dass es vergrößert oder
verkleinert wird, indem die erste Kraftstoffdüse 43 in axialer Richtung
durch die Antriebskraft der Antriebseinheit 66 vorwärts oder
rückwärts bewegt
wird.
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Der Kraftstoff b, der aus
dem ersten Kraftstoffvormischdurchlass 40 der ersten Kraftstoffdüse 43 in
den ersten Durchlass 41 zum Vormischen vorgemischten Gases
durch die Einspritzeinheit 44 für vorgemischten Kraftstoff
hindurch eingespritzt wird, wird mit der verdichteten Luft 30a durch
deren Hinzufügen
vorgemischt, und die erste vorgemischte Flamme 31b wird
in der Vormischbrennkammer 36 unter Verwendung des vorgemischten
Gases erzeugt. In diesem Fall variiert die Strömungsrate von Kraftstoff b abhängig davon,
ob die Gasturbine sich im Anlaufbetrieb, im Teillastbetrieb oder
im Nennlastbetrieb befindet, und es kann die Schwingung aufgrund
der Verbrennung verursacht werden, wenn die erste vorgemischte Flamme 31b zu
dem Übergangszeitpunkt der
Vergrößerung oder
Verkleinerung der Strömungsrate
erzeugt wird. Es ist bekannt, dass, da die Frequenz der Schwingung
aufgrund der Verbrennung häufig
in Beziehung zu der Luft/Säulenschwingungsfrequenz
der Brennkammer steht, die Schwingung aufgrund der Verbrennung unterdrückt werden kann,
indem die Luft/Säulenschwingungsfrequenz der
Brennkammer verändert
wird, wenn die Strömungsrate
von Kraftstoff b vergrößert oder
verkleinert wird.
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Somit verbrennt bei diesem Beispiel
die erste vorgemischte Flamme 31b stabil, indem das Volumen
der Vormischbrennkammer 36 eingestellt wird, so dass es
durch die Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung
der ersten Kraftstoffdüse 43 in
axialer Richtung, die durch die Antriebskraft der Antriebseinheit 66 herbeigeführt wird,
vergrößert oder
verkleinert wird.
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Da das Volumen der Vormischbrennkammer 36 in
diesem Beispiel derart eingestellt werden kann, daß es vergrößert oder
verkleinert wird, kann daher das Auftreten der Schwingung aufgrund
der Verbrennung unterdrückt
werden.
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16 ist
eine schematische Teilschnittansicht eines siebten Beispiels zum
Ausführen
der ersten Ausführungsform,
zweiten Ausführungsform
oder dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners.
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Bei diesem siebten Beispiel ist ein
Katalysator 61 an dem Auslass des ersten Durchlasses 41 zum
Vormischen vorgemischten Gases der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 in
der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform angeordnet. Weiter sind
die gleichen Bauteile wie diejenigen der jeweiligen Ausführungsformen
mit den gleichen Bezugszeichen belegt.
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Da bei diesem Beispiel der Katalysator 61 an dem
Auslass des ersten Durchlasses 41 zum Vormischen vorgemischten
Gases angeordnet ist, kann, wenn die erste vorgemischte Flamme 31b erzeugt wird,
der Verbrennungsgrenzwert des vorgemischten Gases, basierend auf
dem Kraftstoff b, und der Grenzwert, an dem kein CO erzeugt
wird, abgesenkt werden, und die Konzentration von erzeugtem NOx kann
auf einen niedrigen Wert gedrückt
werden.
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Im Weiteren wird ein Verfahren zum
Betreiben des erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners beschrieben.
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Der Gasturbinenbrenner 20 steuert
den zuzuführenden
Kraftstoff entsprechend den jeweiligen Betriebszuständen.
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Während
des Anlaufbetriebs der Gasturbine von der Zündung des Kraftstoffes zu einer
anfänglichen
Last führt
der Gasturbinenbrenner 20 zunächst Kraftstoff a nur
dem Diffusionsbrennkraftstoffdurchlass 38 der Diffusionsbrenndüseneinheit 32 zu
und erzeugt die Diffusionsflamme 31a, wie in 17 gezeigt.
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Wenn die Diffusionsflamme 31a stabilisiert ist,
führt der
Gasturbinenbrenner 20 den Kraftstoff b dem ersten
Vormischkraftstoffdurchlass 40 der ersten Kraftstoffdüse 43 in
die erste Vormischbrenndüseneinheit 33 zu
und erzeugt die erste vorgemischte Flamme 31b. Weiter wird
der Kraftstoff 1 gleichzeitig mit der Zugabe von Kraftstoff b eingeschränkt.
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Anschließend wird der Betrieb der Gasturbine
von dem Anfangslastbetrieb auf den Zwischenlastbetrieb umgeschaltet,
der Gasturbinenbrenner 20 schaltet die Zufuhr von Kraftstoff a in
die Diffusionsbrenndüseneinheit 32 ab,
führt den
Kraftstoff c in die zweite Vormischbrenndüseneinheit 34 und
erzeugt die zweite vorgemischte Flamme 31c.
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Wenn die Last der Gasturbine zunimmt,
führt der
Gasturbinenbrenner 20 den Kraftstoff d in die Hauptvormischkraftstoffeinspritzeinheit 51 und
erzeugt die dritte vorgemischte Flamme 31d.
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Wie vorstehend beschrieben ist das
Betriebsverfahren des Gasturbinenbrenners 20 derart, dass
die Gasturbine angetrieben wird, indem als Brenngas 31 die
gesamte Menge der ersten vorgemischten Flamme 31b, die
von der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 erzeugt
wird, die zweite vorgemischte Flamme 31c, die von der zweiten
Vormischbrenndüseneinheit 34 erzeugt
wird, und die dritte vorgemischte Flamme 31d, die von der
Hauptvormischkraftstoffeinspritzeinheit 51 erzeugt wird,
benutzt wird und dann bewirkt, dass die Gasturbine die Nennlast erreicht.
In dem Gasturbinenbrenner 20, der nicht mit der Hauptvormischkraftstoffeinspritzeinheit 51 versehen
ist, bewirken die erste vorgemischte Flamme 31b und die
zweite vorgemischte Flamme 31c, dass die Gasturbine die
Nennlast erreicht.
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Wenn ein Lastabschaltkommando ausgegeben
wird, da beispielsweise ein Unfall in einem Kraftwerksystem auftritt,
während
die Gasturbine unter Nennlast betrieben wird, tritt die Gasturbine
in den Nulllastbetrieb ein. Die Gasturbine kann jedoch infolge der
Trägheit
zu der Übergangszeit
des Lastabschaltkommandos eine Nenndrehzahl überschreiten. Somit begrenzt
der Gasturbinenbrenner 20 die Strömungsrate von zugeführten Kraftstoffen
im Nennlastbetrieb mit zunehmender Last im niedrigsten Fall auf 10%.
In diesem Fall steuert der Gasturbinenbrenner 20 die Verteilung
der Kraftstoffe zu den jeweiligen Düseneinheiten derart, daß er die
Zufuhr von Kraftstoff d zu der Hauptvormischkraftstoffeinspritzeinheit 51 und
die Zufuhr von Kraftstoff c zu der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 abschaltet
und die Zufuhr von Kraftstoff b zu der ersten Vormischbrenndüseneinheit 33 fortsetzt,
um dadurch die erste vorgemischte Flamme 31b sicherzustellen,
wie in 17 dargestellt.
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Wenn das System wiederhergestellt
ist und die Gasturbine wieder anläuft, erzeugt der Gasturbinenbrenner 20 die
Last der Gasturbine, indem sequentiell die Diffusionsflamme 31a,
die durch Zufuhr von Kraftstoff a zu der Diffusionsbrenndüseneinheit 32 erzeugt
wird, und die zweite vorgemischte Flamme 31c erzeugt wird,
die durch Zufuhr von Kraftstoff c zu der zweiten Vormischbrenndüseneinheit 34 zu der
ersten vorgemischten Flamme 31b, die kontinuierlich bis
zu diesem Zeitpunkt sichergestellt war, zugefügt werden.
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Wie vorstehend beschrieben, kann
entsprechend dem Betriebsverfahren des erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners
die erste vorgemischte Flamme 31b kontinuierlich zu allen
Zeiten sichergestellt sein, selbst wenn die Gasturbine ohne Last
in Antwort auf ein Lastabschaltkommando läuft, die Gasturbine kann rascher
auf die Nennlast eingestellt werden als bei einem herkömmlichen
Verfahren, indem die Wiederanlaufbetriebszeit von ihr verkürzt wird.